近期，来自南京航空航天大学机械昆虫视频在抖音上引起广泛讨论，这是一只能爬又能飞的“两栖昆虫”，一连串动作既轻盈、又丝滑，和真昆虫的飞行模式几乎没区别！

有人说：“我都不敢想如果配合国防科大的蜂群技术，布雷得有多块！”还有网友表示：“可以研究研究南方蟑螂，无论哪个角度都能直冲面门。”因为这只“昆虫”的优势并不是单纯的“爬的远”或“飞得高”，而是两种状态之间的无缝衔接，还是在垂直壁面上，这是目前两栖机器人缺少的重要能力！

以昆虫为灵感“飞爬”机器人问世

这只机械昆虫来自南京航空航天大学，不仅能在玻璃上自如地着陆-起飞，就连墙壁、木门、大理石、树干、甚至帐篷都难不倒它。

对于蟑螂会飞这件事情，除了想想就头皮发麻外，也侧面说明了昆虫强大的飞行运动能力。昆虫不仅能扑翼飞行，还可以飞到各种壁面上附着并爬行，两种状态切换自如，给科学家们提供了极好的仿生模型。

说到“飞”，已经有很多扑翼机器人；提到“爬”，爬墙机器人也不在少数。但两者的结合是一个相当有挑战的课题，现有的悬停扑翼系统难以产生足够的升力来支撑爬墙机器人；而能在多种类型表面附着爬行的爬墙机器人也还不够全面，现有的仿生机器人很少能同时兼具这些运动能力。

能够穿梭于空中与壁面间的机器人属于“多模态运动的跨域机器人”，想要实现这一点，还需研究一种新的“飞”与“爬”之间的转换控制方法，这不仅能提升两栖机器昆虫的整体运动性能，也对理解昆虫的起飞和着落具有重要意义！那昆虫的身体结构到底有什么奥秘呢？

昆虫对扑动翅膀和身体姿势的控制相当灵活：在悬停时，它扑动翅膀产生向上的的升力，而身体姿势可以任意改变。尤其是在墙壁上降落或起飞时，需要完成一系列复杂的模块化动作，包括身体减速和身体大角度旋转。受到这一点的启发，南京航空航天大学的研究人员也将这种“大角度旋转”融入了仿生机器人中。

机械昆虫采用了扑翼与旋翼混合布局：外观看起来像只蜻蜓，一对翅膀（扑翼）水平轴上左右对称，2个旋翼分别在头和尾巴的下方，头部两侧的爬墙转子很像两个大眼睛，尾部是电池。这种混合布局能够为机器人提供稳定的姿态控制：头尾旋翼差速旋转-产生俯仰力矩，为机器昆虫提供俯仰运动和纵向运动的操控；左右扑翼差速扑动-产生滚转力矩，为机器昆虫提供滚转运动和横向运动的操控；矢量偏转舵机驱动头部旋翼动力组偏转，产生航向偏转力矩，为机器昆虫提供偏航运动的操控。

机械昆虫的结构可以实现高效可控的飞行，攀爬部分却与昆虫不同，设计在机器人身体上方。机器人飞行时的动力可以为攀爬部分提供气动负压吸附，还能与具有仿生粘附特性的爬行机构产生协同作用，同时还可以抵抗重力引起的倾覆力矩。

协调控制策略让“飞”和“爬”无缝衔接

为了更好的研究机械昆虫在飞行和爬行时各方向的姿态，研究人员进行了运动学与动力学分析。通过分析，他们由三个欧拉角确定机器人飞行时的姿态，与机器人各个方向的旋转角速率相关，并分析了机器人运动过程中容易失稳的形式以确定旋翼负压系统的吸附力与重力、壁面摩擦系数等参数的关系。

要实现垂直壁面上的飞行-着陆-飞行的跨域运动，除了依赖于混合布局外，还需要执行器的协调控制策略。过渡方案大概如下：

飞行-着陆：机器人减速并缓慢接近墙壁，当前端的粘附垫触壁时，保持飞行稳定、俯仰和横滚姿态自校准，逐渐减小俯仰角，停止扑翼。当俯仰角超过临界角后，预期俯仰力矩逐渐减小，直至完全接触墙壁。

着陆-飞行：机器人保持头部转子的推力，使其与墙壁持续接触；减小尾桨功率；当判断俯仰角到-60°，自动启动扑翼；后续离墙时，需要精确控制俯仰角和角速度，还需要提前增强尾桨功率以克制重力作用，在机器人达到水平姿态前将下落速度和俯仰角速度降低到几乎为零，使机器人进入稳定可控的悬停飞行。

在以上过程中，拥有足够的空气和墙壁控制能力非常重要。具体来说，空中爬墙机器人扑翼和旋翼的混合动力必须能够在所有3个轴上提供足够的扭矩，以实现飞行过程中的姿态控制和爬墙过程中的稳定性。

为了验证动力学的设计参数能否提供足够的控制能力，研究人员比较了不同控制信号的输入，对机器人控制能力的影响。最终，机器昆虫完成连续着落飞行转换的最长时间为6.1 秒。飞-爬转换过程耗时0.40 ± 0.03 s，爬-飞转换过程耗时0.70 ± 0.09 s，在竖直壁面的爬行速度为6 cm/s。

不仅如此，该方法也提高了飞行速度，机械昆虫室外飞行的最大速度为6.8 m/s！

这项研究发表在《Research》期刊中，标题为“An Aerial–Wall Robotic Insect That Can Land, Climb, and Take Off from Vertical Surfaces” （一种可以在垂直表面着陆、爬升和起飞的空中墙壁机器人昆虫）。

国内外的仿生学研究侧重点的差异

中国仿生学的研究历史渊源深厚，“道法自然”是中国哲学的核心内涵之一，“木牛流马”、渔船摇撸、鲁班发明木锯的故事等均体现了中国古代的仿生学创造。

中国当代的仿生学研究，始于50年代，中科院生物物理研究所做了大量开拓性的探索，可惜在文革中中断。上世纪 90 年代陈秉聪和任露泉院士在仿生抗黏附方面做了开创性的工作，并实现了技术成果的转移和商业化应用。中科院、北航的江雷院士在表面疏水—亲水、疏油—亲油研究领域具有国际一流水平，形成了具有中国特色的理论体系和指导原则，技术成果也得到很好的应用。

进入 21 世纪以来，国内仿生学研究团队增长飞快，研究水平也有很大提高。和国外研究相比，中国仿生学研究的主要力量在工程领域，带着工程的需求和问题。如果根据生物学研究的文献开展应用研究，优点是可以很快解决工程问题，不足是对生物的作用机制理解不够深，往往有为仿生而仿生的嫌疑。

最近几年，陆续有生命学科研究领域的学者关注仿生学研究，如成都生物所唐业忠教授等，中科院动物所也有学者积极介入相关研究。国外的研究团队中有不少生物学家，典型的代表是德国，例如“荷叶效应”中，生物学家起到很好的推动作用。在美国，军方对此类研究的推动很大，如仿壁虎黏附机制和黏附材料的研究。动物运动控制的研究具有很强的军事背景。

目前，南航仿生有如下研究：壁虎、鸽子的运动控制，壁虎、树蛙、多种昆虫的黏附接触运动力学，十多种昆虫鞘翅的展开和闭合规律，昆虫鞘翅的结构，泡沫金属的制备和性能，几十种树叶的微结构和疏水性关系等。

对生物对象的研究方法根据研究需求不同而有所变化。在运动仿生方面，南航团队将传统的行为学研究方法与力学测量方法、电荷测量方法、实际接触面积测量方法相结合，建立了系统的研究方法，研制出对应设备；在神经控制方面，建立了新的模式动物的脑立体定位方法，研制了脑立体定位仪。同时，研究团队研究了大壁虎的脑图谱，探索了大壁虎和鸽子运动的空间编码区，采用切片、染色等方法确定壁虎和鸽子的运动行为与脑区的关系。此外，团队还用 SEM 和切片方法，研究鞘翅等生物组织的结构形态，用纳米压痕仪研究生物材料的力学性能。

文章来源： 机器人大讲堂，雷锋网