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机器鸟:像鸟儿一样振翅高飞

发布时间:2019-10-20 15:57:08 编辑:笔名

①“聪明鸟”

②仿生蝴蝶 图片来源:百度图片

人类凭借着双手和智慧,在“鸟师傅”的帮忙下,已经可以让各种各样的飞行器飞上天空。然而这些飞行器中,唯独没有一款飞行器可以像鸟儿一样自由自在地翱翔天空。

德国一家在自动化技术领域耕耘90年的Festo公司填补了这项空白。Markus Fischer和其团队创造出的一款“机器鸟”,不仅能够和真的鸟儿一样振翅而飞,还能做出俯冲和爬升的动作,盘旋飞行。

为什么选择银鸥?

Markus Fischer在一次TED大会上展示了这只“聪明鸟”(SmartBird)。这只鸟以银鸥的外形仿照制作,拥有复杂的杠杆和气动装置,但总重量只有450克——这也是它能够振翅高飞的关键因素。

为什么选择仿造银鸥?Markus说,这种鸟飞翔极为轻快敏捷,可以自由地在海面上空盘旋和俯冲,有时还能利用热气流在空中翱翔和滑翔。卓越的空气动力性能是他们团队选择它的原因。

真实的银鸥体形厚重,成年银鸥体长约60厘米,雄鸥轻者约为830克,重可达1770克,翼展约为1米。而Markus团队所仿造的机器鸟体长为1.6米,翼展长达两米,而体重只有450克。

之所以轻,是因为它整体都是碳纤维材料——这对工程师们而言曾是一个问题:怎么把它造得非常轻,轻到它掉下来的时候不会伤到人。此外,采用轻型结构显然也更加节能。

在这只机器鸟的“肚子”里有一个马达和相应的齿轮结构——工程师们正是利用齿轮来转换马达的动力。同时,在马达上还装有3个霍尔传感器,这3个传感器可以通过对电磁信号的检测“告知”机器鸟翅膀所在的位置。如果马达可以让这对经过气动力学设计的翅膀上下拍打的话,那么机器鸟就可以像鸟儿一样飞起来了。

机器鸟的自动化实现

Markus Fischer和其团队完成的下一项挑战是如何协调这种拍打翅膀的运动,以让机器鸟看上去真的是在自由飞行。他们选择了分裂式翼,通过分裂式的翅膀设计可以使机器鸟通过上层翼得到升力,通过下层翼得到推进力,这样,智能飞鸟就可以扑打着翅膀飞上飞下了。

除了利用杠杆结构带动翅膀的上下拍打,工程师们还通过复杂的控制单元,实现翅膀的扭转。这样才能让机器鸟获得爬升、俯冲和盘旋的能力。

为了精确了解飞行效率,工程师还专门开发了“制动功率计”,以测量机电效率,即机器鸟的空气动力效能。通过将飞行中的被动扭曲力转化为主动扭曲力,工程师们将它的空气动力效能从30%提高到80%,飞行时的机电效率可达45%。

研究团队还对机器鸟的控制和整体结构作了调整。“只有控制和调整好它,才能得到预期的空气动力效能。” Markus说,经他们测算,整体能量消耗(功率)大概是“起飞25瓦,飞行是16瓦到18瓦”。

据了解,这款“聪明鸟”并非直接用于工业制造,也不能起到运输作用,只是一款概念展示品。Markus Fischer和其团队为什么要这么做?“我们是一家从事自动化控制的公司,我们也想对气体力学和气流现象了解更多。”Markus说。

尽管机器鸟的具体用途还不得而知——至少可用于侦查——但其中涉及的智能机电和电缸技术、流体机械技术、智能控制和反馈控制以及状态监控系统等,有望运用于自动化驱动的各个领域。

更多仿生灵感

继SmartBird之后,Festo 公司以生物为灵感制造的飞行机器人已经有不少,但仿生蝴蝶(eMotionButterflies)应该是其中漂亮的一种。

仿生蝴蝶的展翼长为 50 厘米,身体重量仅为 32 克,双翼各配备微型电动机驱动。它们的翅膀每秒摆动 1~2次,一次充电15分钟可飞行 3~4 分钟,速度可达 2.5 米/秒。仿生蝴蝶外观上跟真正的蝴蝶十分相似,翅膀由极薄的碳杆构成,外覆更薄的弹性电容器薄层,飘逸灵动的飞行姿态更让人啧啧称奇。Festo的技术工程师称,蝴蝶双翅有轻微的交叉,拍打时会产生空气间隙,“这为它们提供了特殊的空气动力”。

值得一提的是,每只仿生蝴蝶都是自主的,独立的可操控翅膀实现自我引导飞行。另外,工程师还在特定空间内借助红外摄像机对多个蝴蝶进行实时感测定位,摄像机将位置数据传输至计算机可以调整蝴蝶的运动轨迹,避免碰撞。

每年愚人节前夕,Festo公司总会宣布推出新款仿生机器人。除机器鸟、蝴蝶之外,仿生蜻蜓、仿生水母、仿生袋鼠、仿生蚂蚁……Festo 动物机器人家族越来越壮大。

拥有这么多仿生动物,Festo公司并不打算用它们大赚一笔,而是宣扬他们“基于自然生物模型,发展技术概念和工业应用”的理念。

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