RoboFly：全球首款激光供电的无线飞行机器人

导读

近日，美国华盛顿大学的工程师们首次切断了束缚飞行机器人的电线，并为它们添加了“大脑”。他们设计出的飞行机器人 RoboFly 展开了首次独立地振翅飞行。对于 RoboFly 来说，这是一次微小的振翅；对于机器人类来说，这却是一次巨大的飞跃。

背景

昆虫般大小的飞行机器人能帮助人类完成费时的任务，例如调查大型农场的农作物生长情况，或者嗅出泄露的气体。但是这些机器人小到无法使用螺旋桨，因此它们的飞行是靠振动微小的翅膀。然而，作为这些机器人的“表亲”，比它们更大的无人机，通常会采用螺旋桨。小尺寸的优势在于：这些机器人制造成本低，易于“溜进”狭小的空间中，而比它们更大的无人机却没有办法进入狭小的空间。

但是，目前飞行机器人仍然需要用电线拴在地面上。例如，笔者曾经介绍过美国哈佛大学工程和应用科学学院开发的微型飞行机器人 RoboBee，这种昆虫般大小的机器人既可以游泳，也可以飞行。但是，供电以及控制翅膀的电子设备一般都重到让这些小型机器人难以携带。因此，为了节省重量，电力必须用电线从外部来供给。

（图片来源: 哈佛大学微型机器人实验室 / 工程和应用科学学院）

创新

近日，美国华盛顿大学的工程师们首次切断了束缚飞行机器人的电线，并为它们添加了“大脑”。他们设计出的飞行机器人 RoboFly 展开了首次独立地振翅飞行。对于 RoboFly 来说，这是一次微小的振翅；而对于机器人类来说，这却是一次巨大的飞跃。

5月23日，团队将他们的研究成果发表于澳大利亚布里斯班召开的机器人与自动化国际会议（International Conference on Robotics and Automation）上。

（图片来源: Mark Stone / 华盛顿大学）

技术

RoboFly 只比牙签稍微重一点点，并由激光供电。它采用一个微型板上电路将激光的能量转化为足够的电力来操控其翅膀。

（图片来源: Mark Stone / 华盛顿大学）

论文合著者之一、华盛顿大学机械工程系助理教授 Sawyer Fuller 表示：“之前，昆虫大小的无线飞行机器人的概念只出现在科幻小说中。那么，我们能在无线的情况下让它们工作吗？我们的新型无线 RoboFly 已非常接近现实。”

工程方面的挑战主要在于振翅。拍打翅膀是一个功耗很大的过程，电源和指挥翅膀的控制器都很大且很笨重，以至于微型机器人无法搭载它们。所以，之前的昆虫机器人 RoboBee 才会被一根电线牵住，这根电线用于接收来自地面的能量和控制。

但是，飞行机器人应该能够自己单独操作。Fuller 及其团队决定采用狭窄的不可见激光束来为机器人供电。他们让激光束指向贴在RoboFly上方的光伏电池，并将激光转化为电力。

（图片来源: Mark Stone / 华盛顿大学）

论文合著者之一、华盛顿大学 Paul G. Allen 计算机科学与工程学院的 Shyam Gollakota 表示：“为了将大量电力迅速传输至同时又不增加很多重量，这是最有效的途径之一。”

激光仍然无法单独提供足够的电压来移动翅膀。因此，团队设计了一个电路，它将光伏电池输出的7伏电压提升至飞行所需的240伏。同时，为了让 RoboFly 控制自己的翅膀，工程师们设计了一个“大脑”：他们在相同的电路中添加了一个微控制器。

如下图所示：具有升压电路（左边的铜线圈和黑色盒子）的柔性电路（黄色）

以及微控制器“大脑”（右上方的黑色正方形盒子）。

（图片来源: Mark Stone / 华盛顿大学）

论文合著者之一、华盛顿大学电气工程系博士生 Vikram Iyer 表示：“微控制器就像真实的飞行昆虫的大脑，告诉翅膀肌肉什么时间工作。它发送‘用力拍打’或者‘停止拍打’等指令给RoboFly的翅膀。”

（图片来源: Mark Stone / 华盛顿大学）

特别是，控制器以波的形式发送电压模模拟实昆虫翅膀的振动。论文领导作者、机械工程系博士生 Johannes James 表示：“它使用脉冲形成波。为了让翅膀迅速地拍打，它迅速发出一系列脉冲，然后当快要达到波峰时，它会让脉冲变慢。然后，它会相反地操作，让翅膀向另外一个方向平稳地拍打。”

价值

Fuller 说：“我真想做成一个能找到甲烷泄露的飞行机器人。你买到一个充满飞行机器人的手提箱，打开它，然后这些飞行机器人会在建筑物附近飞来飞去，寻找管道泄漏的气体羽流。如果这些机器人能很容易找到泄露，那么这些泄露就会很可能被迅速修复，从而减少温室气体排防。它受到了真实飞虫的启发，这些飞虫非常善于飞来飞去寻找有气味的东西。所以我们认为，这对于 RoboFly 来说是一个好应用。”

未来

现在，RoboFly 只能起飞和降落。一旦它的光伏电池离开激光的直接瞄准线，机器人将会停电并降落。但是团队希望不久能够操控激光，让 RoboFly 可以盘旋并且飞来飞去。

Gollakota 表示，目前 RoboFly 由激光供电，而未来的版本将采用电池或者从无线电信号中吸收能量。那样的话，他们的电源可以根据特殊的任务需要进行修改。

Fuller 表示，未来的 RoboFlies 有望具有更高级的“大脑”和感测器系统，从而帮助它们导航以及独立地完成任务。

关键字

机器人、无人机、激光、供电

参考资料

【1】http://www.washington.edu/news/2018/05/15/robofly/