背上“电子背包”,甲壳虫秒变“机器昆虫”

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图片由《类生命系统》期刊编辑部提供

要想完全控制甲虫飞行并不是一件容易的事情,需要激活多个飞行肌肉的能力。南洋理工大学和德国弗莱堡大学近期在北京理工大学与美国科学促进会共同创办的国际科技期刊《类生命系统》发表最新研究成果表明,甲壳虫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。

新加坡南洋理工大学的科研团队早2015年就半机器半昆进行研究,研发出了世界上最小的机器昆虫。他们给活体甲壳虫背电子背,通过刺激甲壳虫的触须或肌肉来控制它们行走或飞行,还有悬停、栖息、扫视等动作,但这些并不会影响它们的寿命。

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,例如德国费斯托公司的蝴蝶机器人、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。

科研人员使用了一种大型的花甲虫,即乌干达角金龟作为实验对象。这种昆虫具有敏捷的飞行能力,坚固的硬壳可保护自己免受碰撞,也能承受科研人员加在其身上电子背的负荷。

甲壳虫背电子背是由一个小型的微控制器、九IMU、接收和发送器组成,微I/O接头可以连接电极,整个设备由微型锂电池供电,九IMU用于瞄准方向和测量运动轨迹。这电子背1.6克左右,几乎不会影响甲壳虫的飞行速度。

在飞行中,甲壳虫主要使用基底、翼下和第三腋下巩膜肌肉来控制翅膀的运动。在之前的研究中,通过刺激甲壳虫的基底肌肉和巩膜肌肉,已经实现了对甲壳虫转向的控制,但对翼下肌肉的研究尚未开展。

从解剖学上来说,翼下肌肉的收缩会压低甲壳虫的翅膀后缘,从而增加翅膀的旋转角和迎角,导致翅膀产生的推力减少和升力增加,这种变化可以改变身体的角度。研究人员在甲壳虫的翼下肌肉中植入电极,再让它背电子背电子背与电脑进行无线连接,就可以远程发送指令,产生电刺激信号。作用于翼下肌肉,甲壳虫就能乖乖地改变飞行方式。

飞行实验中,甲壳虫可以不受限制在一个较大空间内自由飞行。在飞行环境中,研究人员设置3D运动捕捉系统和红外线摄像机,用来自九IMU和运动捕捉数据的反馈闭环以控制回路进行飞行。

这项实验结果证明:刺激单边的翼下肌肉会让机器甲壳虫该侧的俯仰角5度逐渐增加22度,侧偏航角2度逐渐增加17度,同时水平加速度降低,垂直加速度增加,表明机翼的阻力和升力在增加。

在论文的讨论部分中,作者表示,自由飞行实验中产生的数据记录将提供肌肉激活模式和飞行机动精确关联,如果能够将这些数据实施到反馈控制系统中,未来可以进一步控制机器昆虫的自主飞行。

与无人机那些纯机械系统相比,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。如果在机器甲虫上部署一个小型麦克风或者热传感器,它们就能在搜索和救援任务中发挥巨大作用,可以安全地探索以前无法进入的区域,比如倒塌的建筑物中的小角落或裂缝中。


创建时间:2022-09-18 21:19
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