终于甩掉“小尾巴”！哈佛明星RoboBee再登《Nature》封面，太阳能电池供电能自由飞行

2019 年 6 月 29 日 机器人大讲堂

导读

最新一期的《Nature》杂志封面上，刊登了一只直立形态的四扑翼微型机器人RoboBee X-Wing。作为RoboBee的进化产品，这款哈佛出品的微型机器人并不是第一次登上世界顶级期刊，而此次它能够荣登《Nature》封面，则是因为它终于摆脱多年以来背后诟病的托在身子后面的导丝（供电线），成为仅依靠太阳能便自由非常的真正飞行器。

作者：溪岚

编辑：小木

2012年，哈佛大学教授Robert Wood团队所研发的第一代RoboBee问世，它拥有每分钟能扇动120次的翅膀，和只有86毫克的体重，比一只真正的蜜蜂还要轻。这款机器人在当时被认为是仿生机器人界的得意之作，并被科学家们预测未来可以代替蜜蜂完成授粉工作，或者作为一个微型飞行机器人完成侦查工作。

时隔多年，被科学家们普遍看好的RoboBee虽然在哈佛学霸们的不断努力下不断升级且频繁登上各大顶级期刊，但还是没能完成他们当时预期的工作，甚至RoboBee还不能飞出实验室。原因只在于，拖在RoboBee身后，用来提供能源的细长的“尾巴”。

这也是多年以来RoboBee备受诟病的弱点所在。但无奈受限于RoboBee自身扑翼的大小及对整体机身重量的要求，笨重的电源只能被搭载到体外，才能满足它的飞行要求。

而现在，《Nature》上发布的这只新型RoboBee终于甩掉了烦人的“小尾巴”，改换了动力源，可以没有束缚地自由飞行了！

新一代RoboBee是怎样做到登上《Nature》封面的呢？

如果去掉了电源线，那么要用什么来提供动力呢？

答案是：太阳能电池。

研究人员改进了它的执行器和传动比，让它能够拥有更大的升力，足以携带多出的太阳能电池和机载电子设备。为了容易分辨，Robert Wood团队还给了它一个新名字：RoboBee X-Wing。

RoboBee X-Wing长5厘米，重259毫克，其中本体的重量只有90毫克，其余为电池和电子设备的重量。据研究人员介绍，这是迄今为止最轻的飞行器，只要有光源，就能够持续不断地飞行。

在飞行系统的选择上，X-Wing使用的是四扑翼系统，这使机器人拥有比固定翼和旋翼更好的机动性、灵活性，并且当它撞到人或物体时，造成的伤害也会更小。比初代多增加的两只翅膀则是为了增大机翼面积，使效率提升了30%。

它的顶部装配了6块约10毫克重的太阳能电池，能够提供120毫瓦的电能，足以驱动这个小巧的机器人。与点亮一串LED灯的其中一个灯泡相比，驱动X-Wing所需的功率还要更低一些。

它的底部则悬挂着一块轻量的电路板，能够将太阳能电池的电源提高到200伏，为四扑翼系统所需的集成压电材料提供足够的电压，以使机器人拥有较强的升力，以携带这些多出的零件。

同时，研究人员还优化了压电材料的机械传动，这样一来，不但改善了压电材料一直存在的缺点，以免对机器人施加巨大的力的同时产生微小的位移，也使机器人的两对翅膀能够稳定地以200赫兹的频率摆动。

如此，RoboBee X-Wing就拥有了一个又瘦又长的结构，既能将重心保持在翅膀所在的中部，又能够让太阳能电池板远离翅膀所带起的气流，不致失去平衡。

缺点仍然存在

其实，哈佛团队并不是第一个让RoboBee卸掉小尾巴的人。之前大讲堂也介绍过华盛顿大学Sawyer Fuller教授的团队所研发的RoboFly，这位从哈佛走出去的教授改进了原有的RoboBee，是它能够依靠激光提供能源，完成极小范围内的飞行。

当激光光束照射到机器人顶部的光伏电池上时，光能将会转化为电能，使机器人的翅膀拍打起来，完成一小段距离的飞行。不过小编觉得，与其说是飞行，还不如说RoboFly就是蹦跶了一下。反观一年后出现的这款RoboBee X-Wing，能够不费劲儿地在空中待上好一会儿，这才能算得上是飞行。

但有进步并不代表它就已经做到了完美，X-Wing的飞行系统依然存在着一些缺点。

比如说，为了不增加负重，机器人并没有安装任何的控制系统，又没有电源线的牵制，一旦升空，基本上就可以说是“撒手没”。

其次，理论上来说，只要有阳光，它就可以持续飞行。但目前，据研究人员介绍，X-Wing大约需要3个太阳级别的光照来提供动力，一个太阳是远远达不到要求的。

因此，X-Wing目前还只能依靠研究团队用来替代太阳的强光灯进行活动，而无法在户外运行。研究团队表示，他们下一步会将机器人的尺寸增加25%，同时将其所需要的太阳光照级别降至1.5倍，但这距离X-Wing能够真正在户外自由地飞行还是有一定的差距。

不过至少它让我们看见了无线持续飞行器的可能性，想必研究人员最终也一定会将只需要一个太阳的RoboBee带到我们面前，欣赏一下RoboBee X-Wing的视频，期待那一天的到来吧！

RoboBee的进化史

别看RoboBee体型小巧，看起来微不足道。它却有着很多人都艳羡不已的光荣简历。

追溯其历史可以从遥远的2008年说起，如今哈佛大学微型机器人实验室负责人Robert J. Wood教授在当时确定了RoboBee的研发项目，并以自然界中的大黄蜂（体重120mg，扑翼频率180~250Hz）为仿生对象，设计了一款体重仅80mg，扑翼频率在120~260Hz之间的微型机器人，并验证了这款微型扑翼机器人能够在垂直方向上起飞。

初登《Science》：2012年，经过5年的潜心研究，一篇关于RoboBee的文章发表在顶级期刊《Science》上并被科技圈熟知，此时的RoboBee实现了真正‘无人机’的功能，不仅能够平稳起飞，还可以做一些悬停和路径追踪的动作。

二登《Science》：2016年，关于RoboBee的另一篇《Science》文章发布，此时的RoboBee头上戴了一个类似于‘草帽’的电极，这个电极帮助微型机器人吸附在大多数物体表面，甚至包括玻璃、木头，以及柔软的树叶，这是以前任何一款飞行器都无法做到的，对于仿生机器人来说意义深远。