近日，美国华盛顿大学研究人员开发出一种小型机器人设备，可在下降过程中通过折叠形式来改变它们在空中飞行的方式。

这种微型飞行器重约400毫克，当从40米高的微风中掉落时，可飘行一个足球场的距离。每个设备都是无电池设计，仅有太阳能收集电路和控制器。它们还携带了机载传感器，以在飙升时测量温度、湿度和其他条件。研究成果发表在新一期《科学·机器人》上。

灵感来自于折纸技术

这项研究的首席科学家之一，华盛顿大学保罗·G·艾伦计算机科学与工程学院的助理教授Vikram Iyer表示：“使用折纸技术为微型飞行器开辟了新的设计思路。我们受到树叶的几何图案启发，将Miura-ori折叠技术与能量收集和微型执行器相结合，使我们的飞行器能够在半空中模仿不同类型的树叶飞行方式。这种高度节能的方法使我们能够在无需电池的情况下控制微型飞行器的下降，这在过去是不可能的。”

研究人员称，折纸技术为微型飞行器开辟了新的设计空间，将来自树叶几何图案的灵感与能量收集和微型执行器相结合，飞行器就能模仿不同树叶在半空中的飞行。在展开的平面状态下，折纸结构在风中混乱地翻滚，类似于榆树叶；但是切换到折叠状态就会改变它周围的气流并实现稳定的下降，类似于枫叶落下的方式。这种高能效的方法，可对微型飞行器的下降进行无电池控制。

团队表示，这些飞行器系统解决了几个设计上的难题，如足够坚硬，以避免在发出信号之前意外过渡到折叠状态；又比如状态之间能快速转换，设备的板载执行器只需大约25毫秒即可启动折叠；它们还能在不受电源束缚时改变形状，功率收集电路利用太阳光即可提供能量。

目前微型飞行器只能向一个方向过渡——从翻滚状态到下降状态，但允许研究人员同时控制多个微型飞行器的降落。未来该设备将能够在两个方向上过渡，也将支持在湍流风条件下更精确地着陆。

无需电池自动完成空中变形

这些小型机器人被戏称为“微型飞行器”，它们具有独特的特性，使它们在机器人领域引起广泛关注。与传统的机器人不同，这些微型飞行器不需要电池来驱动它们的运动，而是利用太阳能和折纸技术来实现空中形状的变化和飞行控制。

每个微型飞行器都装备了一个板载的无电池执行器、太阳能收集电路和控制器。这些关键组件允许机器人在半空中触发形状的变化，从而改变它们的飞行方式。具体来说，它们使用了三浦折纸法，一种精妙的折叠技术，通过在下降过程中巧妙地“卡住”折叠位置，将自身从翻滚状态转变为直接下降到地面的状态，同时在空中分散开来。

这项技术的关键在于如何控制这些机器人的形状变化和飞行。研究人员采用了多种方法来实现这一目标，包括机载压力传感器，用于估算高度，机载计时器以及蓝牙信号。这些方法的组合使研究人员能够精确地控制每个机器人的形状变化和飞行路径，从而实现各种应用。

这一研究的成功标志着机器人技术领域的一个重要进步，为未来的无电池机器人和空中应用提供了崭新的思路，这些微型飞行器的创新设计和高度节能的特性将为各种领域，包括科学研究、环境监测和救援任务。

“微型飞行器”的可能应用

其实早在2014年，美国哈佛大学科学家就以折纸为灵感，研究出一款可变形的折纸机器人，通电后就可以从扁平状态变成四条腿站立的机器人，无需人类帮助即可行走和转弯，可被用于进入灾区倒塌建筑中执行搜救任务。

南开大学团队也研发出折纸机器人可以为人机共融、医疗、工业、特种应用等领域提供创新性的方法。同时，有望结合先进材料、柔性传感器等前沿技术，推进软体机器人的实际应用，比如针对目前新冠疫情的大环境下作为医疗辅助设备，帮助解决医疗资源紧张的难题。

机器人正在持续“精进”！它们的形态、功能不断迭代升级，应用场景也在快速拓展。

从形态上来讲，其外观不仅局限于机械手、机械臂、人形机器人，还发展出五花八门的新形态；从功能上来分，它们不仅会聊天、能处理流水线生产任务，还学会了绘画、跳舞、做手术等；从应用场景来看，它们已深入到一些更加细分、专业的场景中，例如执行地下管道监测、体内药物输送任务等。这些变化同时也意味着，机器人技术越来越需要与其他领域专业技术进行深度交叉和融合。

文章来源： 科技日报，机器人大讲堂