上海交大颜志淼课题组发表具身感知技术的生物混合扑翼机器人研究成果

　　

近期，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系颜志淼副教授与王本龙教授团队在《自然通讯》(Nature Communications)上发表了题为“Avian-inspired embodied perception in biohybrid flapping-wing robotics”的论文，发展了一种受鸟类启发的生物混合扑翼机器人具身感知技术，基于羽毛的振动结构和柔性压电材料作为机械感受器，利用深度学习实现了包括扑频、风速、俯仰角在内的多飞行参数识别，并通过无系绳飞行实验进行验证，在扑翼机器人中构建了一个生物材料-智能材料集成的具身感知系统。

鸟类非凡的飞行敏捷性在很大程度上归功于它们的多自由度翅膀结构。通过调整翅膀运动，鸟类可以实现复杂的空中行为，如高效的巡航、灵活的转弯和快速的俯冲。除了灵活的机翼骨架外，翅膀表面独特的羽毛排列也在鸟类飞行中起着关键作用。鸟类羽毛和翅膀变形行为之间的高度适配性激发了人们对具有高机动性、敏捷性和隐蔽性的羽翼式扑翼飞行器的兴趣。然而，在严格的自重限制下模拟鸟类的飞行感知仍然具有挑战性。

躯体感觉在控制和调节生物体的躯干和四肢中起着至关重要的作用。作为躯体感觉的组成部分，触觉和本体感觉反馈都是必不可少的。触觉感知赋予生物体感知外部压力、振动和温度湿度变化的能力，而本体感觉则提供有关身体运动和位置的信息。这两种感觉模式，截然不同但错综复杂地相互关联，共同调节生物体的感知系统，这也为机器人感知提供了灵感。类似于脊椎动物皮肤中感知表面压力和振动的机械感受器，PVDF 压电材料也对压力和振动表现出快速而强大的响应，Feather-PVDF 生物混合机械感受器用作飞行器翅膀的传感介质，能够起到类似感觉神经的作用，提供感觉和运动的反馈。

本工作利用天然羽毛的生物材料和结构来增强机械感知的差异化，集成轻质的PVDF 薄膜来模拟鸟类翅膀机械感受器的功能。探究了Feather-PVDF生物混合机械感受器的异质界面连接特性，包括剥离强度、疲劳耐久性和机电特性。基于受鸟类启发的羽翼式的扑翼机器人（FWR），我们建立了一个生物混合感知系统，在包括扑频、风速、俯仰角和翅膀形状的不同工况下采集相应的电压信号，采用滑窗方法进行数据裁剪，通过卷积神经网络实现对各飞行参数的智能识别，并验证了在时序变频扑动行为下的识别准确性。

为进一步证实生物混合具身感知方法在实际飞行环境中的可行性，本工作开发了一架羽翼式扑翼飞行器，能够实现无系绳飞行。该飞行器包括齿轮驱动机构、飞行控制板、压电信号采集和高阻抗无线传输模块和羽翼式翅膀，总质量约为 28.5 g，其中PVDF仅占总质量的 0.79%。我们完成了在无系绳飞行下的拍打频率、相对流速和俯仰角的感知，在室内飞行当中展现了良好的飞行参数识别效果，这种生物混合体感知设计有助于微型扑翼飞行器的飞行状态监测和反馈控制，为更轻、集成度更高、更隐蔽的仿生扑翼飞行器发展提供了新的思路。

该具身感知系统在基于反馈的复杂飞行动作控制和自然鸟类飞行监视方面具有重要前景。该论文第一作者李骞是工程力学系硕士研究生，上海交通大学为论文唯一署名单位。李骞基于该研究所衍生出来的智能感知扑翼飞行器以及压电复合层压工艺，形成研究作品，参加2024年中国国际大学生创新大赛上海赛区比赛并获得金奖。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53517-6

作者：

船舶海洋与建筑工程学院

供稿单位：

船舶海洋与建筑工程学院