科技日報記者 李禾
如果看到蟲子，先別急著拿拖鞋打，因為那可能是一只被改造過的“機器昆蟲”。
昆蟲擁有令人驚嘆的運動、彈跳和飛行能力，許多科學家從昆蟲的生理機制中汲取靈感，已經(jīng)開發(fā)出不少仿生機器人，例如Festo的蝴蝶機器人、仿生螞蟻等。這些仿生機器人致力于模仿動物的生理機制，但其實還有一種更高效的方式，那就是直接以生物為基礎(chǔ)打造機器人。
(相關(guān)資料圖)
新加坡南洋理工大學的團隊早在2015年就對“半機器半昆蟲”進行研究，研發(fā)出了世界上最小的機器昆蟲。他們給活體甲殼蟲背上“電子背包”，通過刺激甲殼蟲的觸須或肌肉控制它們行走或飛行，并且不會影響昆蟲的壽命。
然而，完全控制甲蟲飛行并不是易事，需要激活多個飛行肌肉的能力。南洋理工大學和德國弗萊堡大學近期在期刊《類生命系統(tǒng)》（Cyborg and Bionic Systems）發(fā)表了最新研究，證明了甲殼蟲的翼下肌肉對于飛行時的俯仰和偏航、翅膀的阻力與升力等具有關(guān)鍵作用，這個發(fā)現(xiàn)可以讓機器甲殼蟲的飛行具有更復雜的機動性，例如懸停、棲息和掃視。
研究人員使用了一種大型的花甲蟲，即烏干達角金龜作為實驗對象，它具有敏捷的飛行能力，堅固的硬殼可保護自己免受碰撞，也能承受“電子背包”的負載。
“電子背包”由一個小型的微控制器、九軸IMU、接收和發(fā)送器組成，微型I/O接頭可以連接電極，整個設(shè)備由微型鋰電池供電，IMU用于測量方向和運動。這個背包重1.6g左右，幾乎不會影響甲殼蟲的飛行速度。
在飛行中，甲殼蟲主要使用三種肌肉來控制翅膀的運動學：基底、翼下和第三腋下鞏膜 (3Ax) 肌肉。在之前的研究中，通過刺激甲殼蟲的基底肌肉和3Ax肌肉，已經(jīng)實現(xiàn)了對甲殼蟲轉(zhuǎn)向控制，但對翼下肌肉的研究尚未開展。
從解剖學上講，翼下肌肉的收縮會壓低甲殼蟲的翅膀后緣，從而增加翅膀的旋轉(zhuǎn)角和迎角，導致翅膀產(chǎn)生的推力減少和升力增加，這種變化可以改變身體角度。
于是，研究人員在甲殼蟲的翼下肌肉中植入電極，再讓它背上“電子背包”，將背包與電腦進行無線連接，就可以遠程發(fā)送指令，產(chǎn)生電刺激信號，作用于翼下肌肉，甲殼蟲就能乖乖地改變飛行方式。
在甲殼蟲的飛行實驗中，它們不受限制，可以在一個較大空間內(nèi)自由飛行，研究人員在飛行環(huán)境中設(shè)置了3D運動捕捉系統(tǒng)和紅外線攝像機，用來自IMU和運動捕捉數(shù)據(jù)的反饋閉環(huán)控制回路進行飛行控制。
實驗結(jié)果證明：刺激單邊的翼下肌肉會讓機器甲殼蟲該測的俯仰角從5度增加到22度，側(cè)偏航角從2度逐漸增加到17度。同時，其水平加速度降低，垂直加速度增加，這表明機翼的阻力和升力的增加。
在論文的討論部分中，作者表示：自由飛行實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄將提供肌肉激活模式和飛行機動的精確關(guān)聯(lián)，如果能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)實施到反饋控制系統(tǒng)中，未來可以進一步實現(xiàn)機器昆蟲的自主飛行控制。
與那些純機械的系統(tǒng)相比，比如無人機，這種半機器半昆蟲的混合系統(tǒng)更容易控制，成本更低，而且不用擔心電池耗盡。
如果在機器甲蟲上部署一個小型麥克風或者熱傳感器等，它們就能在搜索和救援任務(wù)中發(fā)揮巨大的作用，可以安全地探索以前無法進入的區(qū)域，例如倒塌建筑物中的小角落和裂縫等。
（文中圖片和視頻均由《類生命系統(tǒng)》期刊編輯部提供）
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