尺寸、重量和蜜蜂接近,能在空中穩定懸停不墜落;小到可以鉆進廢墟的縫隙,被撞翻還能翻個跟頭重新起飛。這不是科幻電影里的場景,而是國防科技大學科研團隊研制出的三代昆蟲級微飛行器“機械小飛蟲”。
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飛行器制作場景。
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把“小眾課題”做成核心研究
昆蟲級撲翼微型飛行器只有毫米尺度、毫克重量,卻能像昆蟲一樣高速起飛、靈活變向,被視作未來空天智能裝備、應急救援、生態探測領域的顛覆性平臺。但這東西太難做了。
在國際上,昆蟲級撲翼微型飛行器研制一直被3個核心難題困住,成了業內公認的“硬骨頭”。
其一是傳動復雜。傳統壓電驅動的微型飛行器必須依靠復雜的連桿傳動機構放大位移,那些微米級零件組裝難度極大,比繡花還難,成本居高不下。其二是飛行失穩。無控狀態下,飛行器極易側翻、傾倒,穩定懸停時間不足兩秒,剛飛起來就會一頭栽倒,幾乎不具備實用價值。其三是尺度固定。所有飛行器都是固定尺寸,想要適配不同場景,必須重新設計、加工、組裝,研發周期長、造價高昂。
此前,美國哈佛大學微機器人實驗室、日本豐田中央研究所等國際團隊已在該領域深耕十余年,占領了技術高地,國內鮮有團隊發起挑戰。
“越是難走的路,我們偏要試試。”2019年,國防科技大學微納機器人團隊負責人肖定邦瞄準國內研究空白,毅然決定攻克昆蟲級撲翼微型飛行器。從初步概念驗證到系統深耕細作,團隊用6年時間把一個“小眾課題”做成了核心研究。
沒有現成的理論參考,沒有成熟的加工方案,團隊成員只能從零開始,搭建壓電驅動理論模型、設計仿生機翼結構、調試高壓驅動信號、優化微米級裝配工藝,光是機翼原理就迭代了三十余版,壓電驅動器的材料測試做了近百組。
“實驗室的燈光從傍晚亮到凌晨,高速攝像機的畫面里滿是機翼抖動的軌跡,激光切割的細微廢料堆滿了實驗臺。”吳學忠說,團隊成員在毫米級的世界里一點點打磨著屬于中國的“小飛蟲”。
一開始,團隊好不容易讓“小飛蟲”離地,可它要么歪歪扭扭,要么剛起飛就翻倒。直到有一天,受不倒翁玩具啟發,團隊突發奇想,能不能讓微型飛行器像不倒翁一樣自動扶正?這個靈感成了后續系列突破的起點。
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飛起來、穩得住、可大可小
靈感有了,實現起來談何容易。
第一關是“飛起來”。團隊首創“壓電直驅技術”,直接用壓電陶瓷驅動翅膀撲動,徹底扔掉傳動機構。結構簡化90%,成本降低60%,造出的原型機僅160毫克、約兩粒芝麻重,起飛速度卻達到每秒1米,成為全球起飛最快的毫克級飛行器之一。
第二關是“穩得住”。受不倒翁玩具啟發,團隊在飛行器頂部加裝了一個圓柱形氣動阻尼器。這個小裝置利用空氣阻力,能在飛行器傾斜時自動產生扶正力矩。最終,飛行器在完全無控情況下能穩定懸停超過15秒,達到國際領先水平。就算被人拍歪或被風吹倒,它也能在1秒內翻正、重新起飛。
第三關是“可大可小”。團隊攻克可變翼展技術,造出了一系列不同大小的“小飛蟲”,其中最輕的僅55毫克、翼展28毫米,是目前全球最小、最輕的同類飛行器。
“在毫厘之間攻堅,每一步都容不得半點松懈。”這是團隊成員最深的體會。為了攻克微米級結構難題,團隊成員常年扎根實驗室——高速運動捕捉系統晝夜不停,要記錄每一次撲翼的軌跡,就得24小時值守;壓電驅動參數調試一輪接著一輪,往往十幾個小時連軸轉。
“選方向時可以有松弛感,但定了目標,就一刻也不能放松。”吳宇列常說的這句話成了大家的科研信條。團隊沒有追求短平快的成果,而是沉下心深耕細作,把每一個技術細節做到極致。
基于系列研究成果,團隊成功研制三代昆蟲級微飛行器。目前,該飛行器已完成室內無控飛行、抗干擾、姿態恢復等多項測試,性能穩定可靠。
未來,團隊將為飛行器搭載微型傳感器、微型能源模塊,向狹小空間搜救、災后勘察、精密環境監測、生態授粉等實際應用場景邁進。在地震后的廢墟縫隙里,一群蜜蜂大小的飛行器鉆入深處,傳回被困人員的位置;在化工廠泄漏的密閉管道中,它們悄無聲息地完成環境監測;在精密溫室里,它們代替蜜蜂完成授粉……不久的將來,這些場景將成為現實。
這支團隊在毫米級的微小尺度里闖出了一片廣闊的天地。“機械小飛蟲”正鉚足勁兒扇動翅膀,飛向更大舞臺。
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仿蜜蜂FWMAV原型樣機。
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