让甲壳虫乖乖“听话”?以生物为基础打造仿生机器人

机器人生态圈 2022-06-09

机器人蜻蜓仿生机器人

1462 字丨阅读本文需 4 分钟

如果看到虫子,先别急着拿拖鞋打,因为那可能是一只被改造过的“机器昆虫”。昆虫拥有令人惊叹的运动、弹跳和飞行能力,许多科学家从昆虫的生理机制中汲取灵感,已经开发出不少仿生机器人,例如Festo的蝴蝶机器人、仿生蚂蚁等。这些仿生机器人致力于模仿动物的生理机制,但其实还有一种更高效的方式,那就是直接以生物为基础打造机器人。

1、如何让甲壳虫乖乖“听话”?

南洋理工大学的科学家给活体甲壳虫背上“电子背包”,通过刺激甲壳虫的肌肉系统,它能实现控制甲壳虫行动的效果。

5月4日,南洋理工大学和德国弗莱堡大学在《Cyborg and Bionic Systems》期刊中发表了他们的最新研究,证明甲壳虫的“翼下肌肉”对于飞行时的俯仰和偏航、翅膀的阻力与升力等具有关键作用,这个发现可以让机器甲壳虫的飞行具有更复杂的机动性,例如悬停、栖息和扫视。

为了让甲壳虫的飞行更具机动性,科学家在其翼下肌肉植入电极,再将“电子背包”与电脑进行无线连接,就可以远程发送指令。

当电刺激信号作用于翼下肌肉时,甲壳虫就会乖乖地改变飞行方式。

实验结果证明:刺激单边的「翼下肌肉」会让机器甲壳虫该测的俯仰角从 5 度增加到 22 度,侧偏航角从 2 度逐渐增加到 17 度;同时其水平加速度降低,垂直加速度增加,这表明机翼的阻力和升力的增加。

未来,如果在机器甲虫上部署一个小型麦克风或者热传感器等,它们就能在搜索和救援任务中发挥巨大的作用,可以安全地探索以前无法进入的区域,例如倒塌建筑物中的小角落和裂缝。与那些纯机械的系统相比,比如无人机,这种半机器半昆虫的混合系统更容易控制,成本更低,而且不用担心电池耗尽。

2、蜻蜓有着高超的飞行姿态矫正技巧

由于昆虫并不具有肺,它们是通过气门与狭窄气管构成的呼吸系统进行呼吸的,也就是说在地球大气中氧含量减少之后,庞大的史前蜻蜓由于不能适应环境的改变而绝种。然而,在今天的英国,有一种名叫蜻蜓的小型动物却能够像鸟一样飞翔。这种微型动物就是被称为“空中鸟龙”的蜻蜓。

蜻蜓比鸟类飞得更敏捷,它不但能够360°全方位地飞,能够悬浮于天空,而且能够在天空中随心所欲地“倒车”,不需要调头便可向后飞——这是其它飞行动物所无法做到的。不过,这只是蜻蜓的一种特技而已。

实际上,蜻蜓是世界上最灵敏的昆虫之一,它能够感知周围环境和自身运动情况并做出相应反应,具有很强的自我保护能力。蜻蜓飞行速度可达时速50千米,足抓蚊子和其他飞虫。

更值得一提的是蜻蜓加速度很高,可以瞬间由悬停状态变为高速飞行,而转弯时也可以做美丽“漂移”。这对于我们研究人体力学有着很重要的意义,因为它不仅可以用来测试人体各部位肌肉力量大小,而且也可以帮助人们了解身体各个器官系统之间的相互关系以及它们与外部世界之间的相互作用和影响。

据科学家研究,蜻蜓可以很容易地忍受天空中9G加速度载荷,人类战斗机飞行员训练时通常仅能忍受5~6G,9G已成为人类极限,仰卧时最好飞行员仅能忍受9G载荷100秒钟。

除此蜻蜓还有超长续航能力。这期已有研究证实蜻蜓可以跨越印度洋并由亚洲向非洲迁移。而在澳大利亚,蜻蜓能穿越沙漠和沼泽等恶劣环境;此外,它还是地球上最大的昆虫之一,可以通过翅膀控制自己的位置。蜻蜓是世界上飞得最快的动物。另一些科学家则发现了一种薄翅蜻蜓,它能连续飞越6000千米以上的距离跨越太平洋。

这一切都得益于它们掌握了高超的空中姿态矫正技巧!

蜻蜓精湛的飞行技术源于它的两只能迅速震动的翅膀。然而,这些看似简单的动作却隐藏着很多秘密:它是怎样做到这一点的呢?原来,它需要依靠一个特殊机构——翼眼来实现控制。而这个机构就是翅膀边缘的构造。科学家在蜻蜓翅膀边,找到一种名为“翼眼”的构造,它能化解翅膀“颤振”,有助于蜻蜓高速飞行时翅膀平稳,从而使飞行更加受控。

通过研究这些会飞的昆虫,科学家可以促进仿生学、学习动物、创造更加先进的科学技术—将来我们也许会制造出象《沙丘》中扑翼机一样的飞行器。

文章来源:机器人大讲堂,科技学术派 ,天目新闻

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