无论是作为救援机器人或间谍飞行物，这一微型飞行器可以改变罗伯特伍德和他的同事对一般家蝇的看法。

简介

研究

设计

应用

特点(扭曲和拍打 材料 控制 低功耗)

简介

机器苍蝇的体重只有六十毫克，翼展也仅仅有三厘米，它是典型的仿生学产品，其飞行运动原理和真的苍蝇非常相似，在哈佛大学完成了它的首飞。

当机器人学家第一次看到他们的作品开始运动和具有“生命”时，没有其他比在此时更具有价值的时刻了。而罗伯特伍德，就在一年前的此时，当罗伯特伍德的第一双人工翅膀展翅飞翔的时候，这种初为人父般的骄傲来临了。

事情源于罗伯特伍德在坚持薄翼式机器人，它使用两个绷紧的钢丝。接下来罗伯特伍德接通了外部电源。使用几毫秒碳纤维作为翅膀，大约有15毫米的长度，它每秒可以来回扑扇120次，就像一个实际的昆虫在来回扑扇着翅膀。苍蝇机器人沿着由电线定好的轨道直线起飞。据罗伯特伍德所知，这是首次能够飞行的昆虫般大小的机器人。

研究

这项实验经过了将近十年的时间。一开始是和加利福尼亚大学伯克利分校的导师，电子工程教授Ronald S. Fearing在实验室做研究。后来，罗伯特伍德将它到罗伯特伍德在哈佛的实验室。罗伯特伍德和他的同事希望，这个小型飞行机器人将预示着一个实用小规模机器人设计的新时代。

罗伯特伍德和罗伯特伍德的同事在哈佛微型机器人实验室都在研究制作类昆虫机器人，主要是打算展现其救援和侦察等功能。一旦他们装上合适的传感器，飞行控制器和电池，便可以从实验室外放，投入使用。它可以敏捷的越过障碍物和人所不能达到的地方。

例如，当因发生地震而地壳裂开房屋倒塌时，救援人员必须穿过堆满碎石的街道去疯狂的搜寻生还者，同时还要呼吸着充满有毒粒子的空气。但他们只能靠着自己去这样做，因为罗伯特伍德和他的同事有经验的救援机器人经常会失灵，只要遇到一点杂波就可能面临失败。

设计

罗伯特伍德和他的同事有个特别做法，就是让急救人员将数千回形针大小的飞行机器人分散到整个灾区。 小小的机器会侦测生命迹象的，也许是发觉到幸存者呼出的二氧化碳，或者是侦测他们体温。虽然有一些苍蝇可能撞碎窗口的玻璃或陷入死角，但是其他的则可以从裂缝和下塌横梁逃出。 也许只有三个一群，但是使用自己的方式寻找幸存者，每当找到时，他们便原地等待并使用其剩余的能源向营救人员传递他们的调查结果。他们使用无线电转换成低窄带频，接着便传递给事先在周围布好的接收网。所以即使99%的机器蝇本身找不到了，搜索任务仍是成功的。

设计一个昆虫机器人比做一个飞机模型可要复杂的多，不过，由于空气动力学的原因，昆虫的模型也不一样。在1999年，迈克尔迪金森（Michael Dickinson，加利福尼亚大学伯克利分校的一名生物学家，现于加州理工学院）以一个25厘米大小的仿苍蝇翅膀，通过为其浸没矿物油来模拟空气粘度的实验，首次证实了在不同模式的气流中昆虫飞行的基本空气学原理。结果表明，昆虫是使用三种不同的翼运动来创造并控制空气旋涡需要产生上升力。

利用迈克尔迪金森的模式分析结果，罗伯特伍德和其他人在Fearing的实验室里开始模仿制作昆虫那令人难以置信的翅膀运动。其中一部分挑战来自于许多有助于苍蝇飞行的系统，包括眼睛（特别是协调其感知运动）和能够产生非定常空气动力来驱动机翼的强大有力的肌肉。许多昆虫通过调整自身双翼的振幅，飞行角度和腹部的收缩来控制他们的翅膀。苍蝇更是具有叫作衡棒的（Haltere）特殊感知器官，在飞行时能够感知身体的旋转。这个特性是它能够在空中盘旋，飞上飞下，附着墙壁甚至天花板的关键所在。

应用

制作移动式机器人的主要目的在于他们能够到达人类所不能到达的地方，例如战场上的无掩护地带。现在，主要还是军方在使用这种机器人，因为每个定价就达10万美元。使他达到具有法律效力并且用于紧急营救服务还需要更新的进展。罗伯特伍德和他的同事非常注重选材，既要价格合适也要适合工作。因为为罗伯特伍德和他的同事所设想的机器人花不到10美元，所以耐用就相对次要一些了。

罗伯特伍德和他的同事着重研究两翅昆虫，诸如家蝇，蚜蝇和果蝇等等。苍蝇是地球上飞行能力极强的物种之一，虽然他们体型很小，但他们天生健康强壮，在飞行时能经得住各种强烈撞击。

苍蝇以其惊人的机动性和通过复杂的往往超过100赫兹的三维轨迹频率移动其翅膀。上冲和下冲模式在其盘旋时几乎是对称的，但是在起飞或者前行时却是及其不对称的。苍蝇通过使用间接的飞行肌肉来产生巨大的振幅和高频的振翅。这样说是因为他们改变其部分胸膛，而不是改变自身的翅膀。在苍蝇的身体上产生共振机制。较小的肌肉则直接连接到翅膀神经上以便协调翅膀的运动。

特点

由于体型小，苍蝇周围气流的粘性比鸟类或者机翼固定的飞机更大。对昆虫来说飞行就像是踩水一样。苍蝇翅膀运动产生的空气动力可以在千分之一秒内改变激烈程度。相反，传统的机翼却受制于平稳的气体流动。正是因为这个差异，预测飞机性能的分析工具对于动态飞行昆虫效果甚微，这也使得罗伯特伍德和他的同事的工作愈发的困难重重。

经过无数次的反复试验，罗伯特伍德和他的同事的机器蝇以其自己独特的发展方式，在功能上渐渐的越来越像真的苍蝇一样。罗伯特伍德和他的同事运用了生物学最基本的两个原则：机翼面积与身体重量的比例和翅膀的扑闪频率。还有，因为在这方面电子设备并不占优势，所以罗伯特伍德和他的同事没有必要盲目的对无脊椎动物的生理进行模仿。就拿昆虫胸膛和翅膀的弹性和结构属性来说，因为他们都是由角素构成的，所以再坚韧的普通多聚糖化合物都还是比不上碳纤维来的坚固。

扭曲和拍打

对昆虫而言飞行就像踩水一样。包括翅膀复杂的拍打和扭动运动在内，苍蝇已经有一套复杂的机制来调节自己的飞行。为了让他一直在摄像机的范围内，罗伯特伍德和他的同事将其夹住测试，结果机器蝇每秒也能有120次扇翅。

如右图，罗伯特伍德和他的同事的机器蝇也有和真正的苍蝇相同的主要飞行结构：机身（外骨骼），发动机（飞行肌） ，传动机（胸） ，机翼（翅膀）。其每部分的功能都比较简单。机体必须为发动机和传动机提供一个坚实的机械地面。驱动器为机器蝇胸的共振提供能源。最后，机翼必须在一些根本性不同的气动条件下保持足够的刚性以维持自身形状。

罗伯特伍德和他的同事的设计注意到了物理学中最精细的部分。由于机器人设备的缩小，地面力量开始在动态运动中占主导地位。由于体积越小接触面就越大，摩擦力也就越大，这就使得轴承的作用也很有限。然而，因为罗伯特伍德和他的同事仅仅是设计的机器人，所以并不意味着罗伯特伍德和他的同事知道如何制作他，使它机械部件误差远低于标准制造工艺。罗伯特伍德和他的同事既不需要雇佣微电子机械系统也不需要微机电系统，因为这些对于机器蝇要承受的压力来说太易碎了。更重要的是制作一个微机电系统原型需要花费很多时间，而罗伯特伍德和他的同事的设计策略正是要建立大量的原型。

材料

罗伯特伍德现在使用的是制作精良硬度适中的碳纤维增强复合材料，而不是激光微细加工技术的超薄材料。这些简便的技术能使罗伯特伍德和他的同事在一周内便可以制作出一个机器蝇的原型。

为了制作关节，罗伯特伍德和他的同事在两个又薄又硬的碳化纤维中间割开裂缝，在其中间夹入薄薄的聚合纤维，这样就可以来回的弯曲而不致使其失灵。四个这样的关节都是用一系列长短不一，平而坚硬的碳纤维连接起来。对于链接长度适当的选择，其传输可以让原来的小角度转动向相反方向做更大的运动。

为了使得发动机模拟真实的肌肉运动，罗伯特伍德和他的同事为他增加了碳纤维混合物。这种碳纤维混合物是一种受电场可以改变形状的电镀材料。在设计这些电机的时，不但要让他们保证有足够的能量供给，还要尽可能的使其更小更轻便。这也是罗伯特伍德和他的同事的首要任务。电机的能源密度为每千克400多瓦，比普通苍蝇翅膀肌肉能力的4倍还多！在成功模拟翅膀运动后紧接着的第二个突破口便是使用四根连接杆，令罗伯特伍德和他的同事满意的是，这种机制与双翅类昆虫非常相似，也是使用其胸腔来控制他们的翅膀运动。

罗伯特伍德和他的同事最新版机器蝇的重量只有60毫克，与双翅类昆虫的重量几乎一样，而对自身的推力将近却是他们的两倍。这跟正真的苍蝇几乎一样了，比如可以获得3倍至5倍于自身重量的升力。紧接着的目标是让他盘旋，这在有限的空间里是非常机动化的。盘旋这种能力也使得他们能够在适当的位置转身。

为了保证稳定自由的飞行，还需要安装和小型化三各部件：感应器，控制器和电源。许多实验室和公司正在开发一套可靠的感应器，通过生物学的感应系统，使机器人稳定飞行和控制一些简单的行为。罗伯特伍德以前的导师展示过生物启发陀螺仪和有探测视野能力的传感器，在华盛顿特区，已经开发出了重量不到1克的视觉传感器用来协助飞行机器人导航。

控制

如何控制仍然是一个挑战。一个真正的苍蝇能够快速的转身，因为它有一个专门的反应迅速的神经系统。在苍蝇体内，神经冲动从内部反馈到传感器，期间无需中枢神经系统处理便直接调节飞行肌。罗伯特伍德和他的同事正在寻找有效的途径来模仿这种神经系统，通过一些姿态传感器指明飞行方向然后直接操纵电机。

接下来便是机器蝇如何获取能源的问题了。一块足以提供机器蝇飞行的电池将比一般的电池占用更大的面积体积比。罗伯特伍德和他的同事估计如今压缩过的最好的锂电池也要50毫克，占了机器蝇体重的一半！而且也只能维持他5-10分钟的飞行。为了增加飞行时间，罗伯特伍德和他的同事必须增加电池的能量密度，或者开发自给能量技术，比如在他背上安装一个太阳能电池板，又或者将其翅膀的振动转换成电流等等。

低功耗

现在，罗伯特伍德和他的同事要把的注意力转移到机器人的低功耗分散控制算法上来。虽然群居昆虫用简单的局部规则和直接的方法进行沟通，但他们完成的任务却惊人的复杂。例如，在没有一个白蚁有蓝图的情况下，他们依然能够能建造一种比他们自身大数百万倍的建筑物。相信罗伯特伍德和他的同事的机器人终有一天也会成为学习这种昆虫本领的工具。这样就可以帮罗伯特伍德和他的同事设计算法，使成群的简单机器人去完成复杂的任务。

有了基本的控制算法后，罗伯特伍德和他的同事期盼微型机器人在特设的移动传感器网络能起更重要的作用。搜索与救援行动，危险环境中的探索和监测，行星探测和建筑物巡查，只是一小部分高度灵活的昆虫类救援机器人的潜在应用。

翅膀上的智能传感器并不是一个遥远的梦：罗伯特伍德和他的同事预测一个完全自主的机器人昆虫需要在实验室进行5年的研发过程；而五年以后，我们将看到这些设备开始融入我们的日常生活