机器蜜蜂-一个巨大的微小发明

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根据哈佛大学微型机器人实验室的研究，RoboBee 是一个模仿“蜜蜂”的小型扑翼机器人。这个微型机器人的体积只有回形针的一半大，重量还不到一只蜜蜂的体重，当施加电压时，它使用“人造肌肉”来收缩。这项发明可以在风沙中飞行，也可以在水中游泳。它可以起飞、悬停和停歇，节省能源。

2009年开发并展出的 RoboBee 最初的想法是拥有自主微型飞行器，这种飞行器可以在大群体中实现包容和定向的飞行协调行为。尽管机器蜜蜂体型庞大，但它的结构大致可分为三个主要部分: 身体、大脑和群体。这里的身体指的是拥有无缝集成能源的机器昆虫，它们可以自己飞行。智能传感器和控制电子设备的感知和动态响应环境是大脑发展的一部分。另一方面，殖民地集中于协调这么多独立的机器人作为一个整体。
设计挑战
设计一个没有旋转马达、齿轮、螺母和螺栓的微型机器人是相当费力的。然而，在2011年，激光切割的材料被分层并夹在一起形成一个薄而平的盘子，盘子像儿童立体书一样弹开。这就是所谓的弹出式微机电(MEMs)技术。
由于气流的变化可能对飞行动力学产生巨大影响，控制系统必须对每个机翼的旋转运动进行实时响应和控制。这种戏剧性的影响，即使在情况下，小空气湍流谢天谢地是克服了压电驱动器。翅膀被称为“人造肌肉”，当施加电场时，翅膀会膨胀和收缩。对于旋转轴来说，薄的塑料铰链起到了关节的作用。机器人的重心在机翼的位置。有了这个设计，快速的原型被用于测试。
到2013年，在设计上出现了两个主要问题。首先是机器人无法做出决定，因为即使是最小的封装微芯片也无法使用。尽管需要的传感器已经到位，但还是需要一个特定的“大脑系统”进行数据传输分析。
第二个电源。一个动力供应紧固件必须连接到机器人，甚至方向。因此，推断车载电源管理是必要的。
给机器蜜蜂供电
随着机器人的体积越来越小，控制电源变得很棘手。事实上，对于一个昆虫大小的机器人来说，没有一个很好的解决方案来避免依赖绳索获得动力。机载电源使机器人的站立位置高，同时节省能源。随着该领域的大量进展，这里的目标是实现更长的飞行。

激光驱动的

来自西雅图华盛顿大学的研究人员展示了 RoboFly (基于 RoboBee 扑翼微型机器人的设计) ，这是一种激光动力飞行机器人。它有一只大黄蜂那么大，重达190毫克。它完成了第一次机器人的无绳飞行，从低距离、低效率和较少的动力输送中战胜一切困难。由于这项发明需要大量的能量以相对较长的距离传输，所以使用了激光器，如图2所示。

图2: 激光驱动的 Robofly
一个红外激光器在太阳能电池空军基地供电，产生了250毫瓦的能量使机器人升空。它可以被称为一个持续的技术，而不仅仅是一个升空。这里的缺点是，如果太阳能电池移出光束，就会失去能量，机器人也就停止飞行，因此安装在天花板上的激光器可以帮助追踪和引导这些机器蜜蜂。
太阳能机器蜜蜂 x 翼

机器蜜蜂 x 翼战机克服了 RoboFly 的挑战，长约5厘米，重约259毫克。这项发明使用四个翅膀而不是两个，因为偏航控制是一个有点棘手，当两个翅膀使用。然而，有四个翅膀存在更多的力量提升的东西，并有助于有一个完全自我包含的机器人。一个四翼机器人，被称为 RoboBee x 翼，如图3所示，是能够无绳飞行，由于太阳能电池和光源。

图3: 机器人 x 翼
由于它的大小，有一个电池动力翅膀是困难的，因此离开板电源是必要的。顶部的太阳能电池和下面的电子产品产生电压(高达200v) ，驱动器造成翅膀振动在200hz。即使它不稳定，短距离开环飞行的自主控制持续时间也不到一秒钟。
虽然 x 翼不适用于户外应用，但研究人员正在研制一种可比 x 翼大25% 的版本，以减少太阳能供电所需的量。优化和额外的集成工作是需要这个机器蜜蜂真正自主飞行。
液体放大拉链驱动器(LAZA)系统

无需任何齿轮或旋转部件的使用，液体放大拉链执行机构(LAZA)是一个直接驱动人工肌肉系统，实现机翼运动。提供更多的动力，机电拉链简化了扑翼机制，导致超过100万个周期的输出。

以 laza 为动力的 RoboBee
布里斯托尔大学的研究人员展示了当使用 laza 动力的扑翼时，如何获得更多的动力。这使得机器人能够以每秒18个身体长度的速度飞过一个房间。
这里的机制是在机翼上应用静电力导致了更好的性能、更简单的设计和解锁一种新的低成本的轻量级扑翼机器人。这不仅可以帮助植物授粉，也可以帮助寻找倒塌建筑物中的人。
必要的电子设备
尽管电源扮演着重要的角色，但拥有正确的电子设备将电源转化为飞行是必要的。用陶瓷带制成的压电驱动器代替电磁马达(通常用于大型应用)。实时控制，机翼可以单独控制。
翅膀需要约250伏特，以最大限度地提高功率密度是由压电驱动器驱动。太阳能电池控制器(在激光驱动的 RoboBee 中)输出7 v，因此需要一个升压转换器来驱动，并且需要一个微控制器来控制机翼。
什么是液体放大拉链执行系统(LAZA)
为了避免机翼运动中的不利动力学效应，LAZA 可以作为自主飞行机器人系统的基本模块。

图5: LAZA 的工作
实现未来扑翼机器人的小型化，这是扑翼和传动微型飞行器的结合。在 LAZA，高压直接在机翼根部产生时变的静电力，导致机翼的运动，如图5所示。它还可以控制拍动频率和振幅。即使使用100万个驱动周期，200瓦的峰值功率也可以传输，这使得它可以与上面提到的所有驱动方法相提并论。这是一种高性能的静电扑翼驱动系统，弥补了传动和扑翼微型飞行器之间的差距。
未来的使用和关注
最终的目标是建立一个模仿真实蜜蜂行为的机器蜜蜂群。这种机器蜜蜂群不仅可以用作人工授粉，而且可以用于分布式环境监测和搜索救援行动。秘密监视和有害化学物质也可以被发现。程序设计语言的发展是为了最大限度地利用“群体智能”，然而这也引起了许多关注。
财务状况。天然蜜蜂不能满足农业授粉的需要。如果我们耗尽这些自然资源，不是每个农民都能雇得起 RoboBee。它们的制造成本也相当高。
制造业。由于使用了诸如塑料、薄膜、电线、箔、树脂、碳纤维等元素，它对环境具有破坏性。此外，用于电池和精细金属制品的化学物质也会造成损害。
进食。鸟类和爬行动物不知道这项发明可以消耗这个设备考虑到它的大小导致有害成分被消化。
腐烂。如果设备损坏而不能回收，可能会导致环境被污染。电池内容物和其他化学物质浸入海洋和森林会增加它们可能造成的损害。别忘了它们是不可生物降解或可回收的。
***规则。使用这些规则可能会引起军事冲突，因此需要设立边界。
尽管 RoboBees 是一个福音，但它们也是一个祸害，然而，随着研究人员在他们的发现中取得进展，这些设备可以获得许可。

王栋春 · 2022-2-25 22:31:49

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