具高靈活性不怕撞擊之新昆蟲無人機

摘要

昆蟲具有卓越的飛行技能，可以幫助他們駕馭空中世界，包括面對各式生存挑戰，如狂風、障礙物、總體不確定性等。然而，以往因技術尚未健全，難以直接把這些特性運用於飛行機器，如今，麻省理工大學的研究人員克服了這些問題，已建立出一套近似昆蟲特性的系統，得以開發出可翻滾、彈跳、每秒翅膀拍動將近500次且不怕撞之高靈活性的無人機，為仿生無人機開創了新思路。

　　科學家觀察到飛行昆蟲相當敏捷且強壯，當他們在複雜的環境下飛行時，可表現出卓越的雜技動作，如翻轉、快速逃跑、飛行過程遭受碰撞可快速恢復等。當前最先進微型無人機主要的透過剛性致動器(MAV)產生動力，如壓電陶瓷，即為電能和機械能相互轉換的特殊陶瓷材料，這類無人機具有較低的斷裂強度(120MPa)和承受破壞的應變能力(0.3%)。此外，現有飛行系統雖然有較高的升重比，表示易於起飛，但是他們面對干擾等狀況時，無法做出如昆蟲般的快速反應。
　　因此，麻省理工大學的研究人員開發出一款藉由介電彈性體致動器 (DEA) 以驅動僅665mg無人機。DEA是一種新興的高分子軟性致動器，其由塗有碳奈米管的薄橡膠圓筒製成，當電壓施加於碳奈米管時，會產生靜電力，從而擠壓並拉長橡膠筒，反覆的拉長與收縮可使無人機的機翼快速擺動。此研究成果顯示新型DEA具有高功率密度 (1.2 kW/kg ) 和相對較高的轉換功率 (37%)，研究人員將其進一步整合於無人機中，使無人機升重比 (>2.2:1) 相對於以往機型較高，每秒機翼擺動次數高達約500次且可達到70 cm/s的上升速度，除了能夠在空中盤旋，還能夠在飛行過程中受到碰撞時於0.16秒內翻轉並恢復正常，相較於笨重的傳統機械，其具有多種優點，如較大致動力量、應變力高等，藉此展示出MAV所不具備的優秀飛行能力，從而凸顯出新型混合軟性與剛性機器人於工業和農業具有應用潛力，如農作物的人工授粉或災難後的搜救任務。因此，透過模擬昆蟲的生理特性，啟發了更多創新研究，為仿生機器人帶來新思路。【延伸閱讀】有朝一日泡泡無人機能協助農民為花朵授粉

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