受瓢虫“自我扶正”启发，科学家研制可“鲤鱼打挺”的微型飞行器

大自然永远是人类最好的老师。

自然界中，为适应生存环境，各类昆虫具备很多高明且巧妙的 “自保本领”，瓢虫就是其一。当瓢虫失去平衡或受困翻倒时，瓢虫可通过自身坚硬的鞘翅（elytra）在一秒内内实现自我扶正。

图｜瓢虫极强的自我纠正能力（来源：IEEE Robotics and Automation Letters）

受瓢虫这种强大自我扶正能力的启发，近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）智能系统实验室的 查兰博斯·沃特西斯（Charalampos Vourtsis）与其团队研发了一款通过在微型飞行器上安装类似于瓢虫“鞘翅”、来实现自主扶正的固定翼微型飞行器（Fixed-Wing Micro Aerial Vehicle）。

沃特西斯表示，为躲避天敌和更好地适应环境，瓢虫进化出更适宜生存的身体机能，而这些机能正是现代机器人技术的灵感来源。

事实证明，研究团队从中受益匪浅，其通过仿真实验发现，人工鞘翅不单有助于飞行器在危境姿态中能实现自主扶正，还能加强微型飞行器的空气动力学性能，相关研究论文发表在 IEEE Robotics and Automation Letters期刊上。

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据研究团队介绍，鞘翅不仅为瓢虫提供自我扶正能力，还在飞行中为其提供辅助升力。而当固定翼微型飞行器安装人工鞘翅后，同样可以使因鞘翅所增加的重量与额外升力相互抵消。

对此，沃特西斯解释道：“通过实验，我们发现人工鞘翅在飞行中不仅提供了额外的升力，还可以帮助它减少飞行器结构重量带来的不利影响。”

图｜固定翼微型飞行器自主扶正只需1.1秒（来源：IEEE Robotics and Automation Letters）

固定翼微型飞行器的鞘翅由高强度、高韧性的丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物（ABS） 3D 打印成型，并用凯夫拉（KEVLAR）新型合成纤维加固，以增加其弹性，并通过伺服系统控制鞘翅来实现翻转平移等动作。

在模拟实验中，研究团队通过 11cm、14cm、17cm 三种不同长度的鞘翅和 0.31 N·m、0.39N·m 两种扭矩进行模拟自动扶正测试。实验发现，两种不同扭矩提供的功率几乎对飞行器性能没有任何影响，但是鞘翅的尺寸却对飞行器有着明显影响。

另外，研究团队还针对不同尺寸的鞘翅进行了飞行器空气动力学研究。结果表明，更大尺寸的鞘翅并不会对空气动力学效率带来性能上的减弱。换句话说，更大尺寸的鞘翅并不影响飞行器的空气动力学性能。此外，更大的鞘翅相比较小的翅鞘具备更快的自主扶正能力。

图｜固定翼微型飞行器结构（来源：IEEE Robotics and Automation Letters）

因此，研究团队最后选择了 17cm 的鞘翅。

在微型无人机领域的应用中，由于飞行器可能需要在极其恶劣的环境中进行任务，因此研究团队在人行道、粗沙、细沙、碎石路、贝壳、木屑和草地七种不同的环境中进行了测试验证。

其中，草地和细沙地的成功率仅有30%左右，但是其他五种地形都能到达 100% 的成功率。

此外，研究团队还在 10°、20°、30° 不等的斜坡上进行扶正测试，他们发现，当这种固定翼微型飞行器在 30° 斜坡时，也能成功自我扶正，不过超过30°的斜坡则会出现打滑的情况。

以往的飞行器为防止翻倒只是增加重量和降低动力，但当给微型飞行器一对鞘翅后，其鞘翅负责“翻身”和提供上升动力，后翅则主要负责飞行。如此不仅能改善飞行器的上升性能提升，还能降低设计难度。

图｜瓢虫鞘翅与飞行器鞘翅对比 （来源：IEEE Robotics and Automation Letters）

沃特西斯表示：“我们目前正在研究鞘翅无人机在穿越灌木、石林和其他障碍物时是否可以折叠翅膀。希望未来当无人机视野开拓并需要远距离飞行时可张开翅膀，而当飞行器遇到狭窄地形时，能以紧凑的形式安全移动或者降落。”

接下来，研究团队将继续优化这个固定翼微型飞行器，他们希望可以为这个飞行器定制一个“保护壳”，以便保护机翼在剐蹭时不受损伤。

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参考：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9479684

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