如果你想通过无人机将环境传感器投放到大范围区域，你肯定不希望它们都落在同一个地方。为了避免这种情况发生，华盛顿大学的科学家们制作了微小的折纸“微型飞行器”。每个微型飞行器只有一张大邮票大小，重仅 414 毫克，有一个扁平、灵活的方形主体，上面连接着各种电子元件。后者包括微控制器、蓝牙芯片、太阳能收集电路和压力传感器等。

不错，这个小小的机器人没有电池，用太阳能收集电路和触发控制器，就能在半空中自主变形，可以飞过一个体育场！

开辟新的飞行器设计空间

传统的飞行器，大多是飞机、无人机，基本上都是带机翼的主动推进设备，而这种不装电池的传感设备，可以在风中飞行，模仿树叶和种子，可以控制它们的下降，还能批量空投到各个区域，机载的传感器能监控一切信息。

这不禁让人联想起“智能尘埃“，美国国防部高等研究计划署(DARPA)和兰德公司在1990年代初提出的理念。把传感器散布到空气中，这样一来，它们就可以监控一切信息——温度、湿度、化学品、运动、脑电波，一切的一切。听起来很疯狂，也很新颖，这个如树叶大小的微型飞行器似乎已经迈出了第一步。不装电池，仅靠太阳能驱动，这样的高节能飞行器该怎么设计？

团队利用飞行器下落时与空气的相互作用，其速度受到投影面积和结构相关阻力系数的影响，因此，在过程中改变落体的形状是一个很妙的方法。华盛顿大学的研究人员想到了折纸结构，太阳能的收集有限，无法实现连续的驱动，如果设计一种双稳态折纸结构，在两种状态下都能保持其形状，无需消耗任何能量。通过预定义的折痕线，微型飞行器可以折叠和展开，切换形状使得飞行器的面积、受到的风阻改变，从而影响它的飞行方式。

当飞行器展开时处于平坦状态，增加了在风中的横向位移，微型飞行器会在风中翻滚，下落速度减缓；切换到折叠状态会改变其周围的气流，从而实现稳定下降，类似于枫叶掉落的方式。

解决驱动微型飞行器的多重挑战

每个飞行器的机身都采用了一种名为“三浦织”（Miura-ori）的树叶式折纸结构，其折叠方式可以让飞行器在两种状态/形状之间来回弹跳，时间仅需 25 毫秒。当身体被简单地折叠成平面时，微型飞行器会在空中混乱地翻滚，就像榆树叶一样。这种"飞行模式"使它在下落过程中能够覆盖很长的水平距离--如果在微风中从 40 米（131 英尺）的高度落下，它的飞行距离可达 98 米（322 英尺）。

然而，当微型飞行器的身体向内折叠时，它就会缓缓地直落下来，姿态又更像一片枫叶。因此，通过让一批投放的微型飞行器在不同时间从一种状态切换到另一种状态，可以让一些飞行器飞向投放区域的两侧，而另一些则飞向投放区域的中心。

每个装置通过板载电磁致动器改变状态，而压力传感器（达到一定高度时）、蓝牙芯片（收到激活信号时）或微控制器中的定时器又会触发电磁致动器。蓝牙芯片还可以传输记录的数据。重要的是，所有电子设备都由太阳能电路供电，无需电池。此外，还可以添加各种环境传感器。

首席科学家维克拉姆-艾耶（Vikram Iyer）教授告诉我们：“我们的微型荧光粉可以用来监测温度、光照条件或其他环境因素在它们下降时在大气层中的变化情况。部署成群的这种微型飞行器可以帮助研究人员描绘正在发生的事情，应用领域包括数字农业和监测气候变化。”

伊耶尔还表示，虽然目前的原型还不能生物降解，但该团队正在努力开发可以生物降解的微型飞行器--这样它们就不会在部署后无限期地停留在环境中。

“智能尘埃”迈出第一步

在实际的室外场景中，微型飞行器在从20米高度释放时能够从翻滚状态转变为稳定下降状态，并且在不同高度和风速条件下都能够实现分散飞行。此外，微型飞行器还能够使用太阳能进行自主运行，并通过蓝牙传输数据。根据光照强度的不同，微型飞行器的传输速率也会有所变化。

据了解，这项研究设计开发总共花费了大约两年的时间，仍然有进步的空间：目前的微型飞行器只能在一个方向上转变——从翻滚状态到下落状态。研究人员希望实现来回切换的能力，进一步提升精度和灵活性。

除此之外，未来还可以增加飞行器的下落覆盖范围，在不同的风及恶劣天气中进行测试，来面对更多的挑战。这项研究发表在全球顶级期刊Science的子刊《Science Robotics》中，题为“Solar-powered shape-changing origami microfliers（太阳能变形折纸微型飞行器）“。由华盛顿大学和威斯康星大学的研究人员合作开发。

自“智能尘埃”提出以来，世界各地的科学家们已经进行了数十年的工作，即便以今天的技术工艺水平而论，要将传感器、模拟/数字电路、通信乃至电源全部封装在尘埃大小的空间中，仍然是个艰巨的挑战。微型树叶飞行器似乎已经迈出了第一步，利用风和太阳能起飞，可实现大规模传感器的部署自动化。

这项研究由摩尔基金会奖学金、国家科学基金会、国家 GEM 联盟、谷歌奖学金计划、Cadence 奖学金计划、华盛顿 NASA 太空拨款奖学金计划和 SPEEA ACE 奖学金计划资助。

文章来源： 机器人大讲堂，cnBeta