突破极限：亚厘米级无系绳飞行机器人的创新飞跃

《SCIENCE ADVANCES》：Untethered subcentimeter flying robots

在飞行机器人小型化研究中，为解决质量与功率权衡难题及飞行姿态稳定性等问题，研究人员开展了亚厘米旋转翼飞行机器人的研究。他们成功研制出重 21mg、翼展 9.4mm 的机器人，实现可控飞行，其成果对推动飞行机器人发展意义重大。

　　在科技飞速发展的当下，飞行机器人的研究成为热点领域。然而，昆虫规模飞行机器人的小型化面临诸多挑战。一方面，随着系统质量和翼展减小，质量与功率的权衡变得棘手，传统使用电线供电的系绳飞行机器人在复杂环境中难以自由运作，而采用机载电池或超级电容器又会增加有效载荷，限制了机器人的性能。另一方面，飞行姿态的稳定性也是一个关键难题，它与机器人的机动性密切相关。大型飞行机器人可通过复杂的机载 / 外部传感和控制系统维持姿态稳定，但这对于亚厘米级的飞行机器人来说并不适用，因为其沉重的有效载荷会严重影响飞行性能。

为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了关于亚厘米级无系绳飞行机器人的研究。他们成功研制出一款由单轴交变磁场驱动的亚厘米旋转翼机器人，该机器人重量仅 21mg，翼展 9.4mm，实现了可导航飞行，包括悬停、碰撞恢复和路线调整等功能，这在飞行机器人发展历程中具有重要意义，论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，利用 3D 打印技术制作机器人主体结构，精确控制其尺寸和形状。其次，通过光学测量系统和高速相机测量机器人的运动参数，如滞后角、角速度等。此外，借助 ANSYS Fluent 软件建立简化的气动力学模型，分析机器人周围的气流模式，为设计提供指导。

研究结果如下：

• 机器人设计和操作原理：机器人由 3D 打印的主体结构和两个微小永磁体组成。通过对单轴交变磁场的分析，发现磁场强度和驱动频率会影响机器人的滞后角，而滞后角是维持稳定飞行的关键参数。建立的气动力学模型研究了不同驱动频率下机器人周围的气流速度和压力场，实验测量了升力、阻力扭矩等参数，得出升阻比随驱动频率变化的规律。同时，确定了起飞操作的最佳频率范围为 310 - 350Hz，通过优化质量分布，利用平衡环增强了机器人的稳定性。
• 向上、悬停和碰撞飞行：实验展示了机器人向上飞行时良好的姿态稳定性，平均垂直加速度为 1.4m/s2，升力超过自身重量约 14%。悬停飞行实验中，机器人在碰撞后仍能保持姿态稳定，碰撞存活率达 76.5%，且当碰撞后俯仰角偏差小于约 23° 时，飞行可恢复。此外，通过调节磁场梯度，可实现机器人的横向运动控制，完成左转、右转等轨迹调整。
• 与现有技术的比较：与其他飞行物体相比，该机器人在尺寸和重量方面具有优势，是目前最小的实现无系绳和可控飞行的机器人之一。在升力与飞行功率比（LFPR）方面，该机器人达到 0.072N/W，超过大多数其他研究，仅略低于 4.21 - g 的 CoulombFly 和 16 - g 的 DelFly II。

研究结论和讨论部分指出，通过调节单轴交变磁场，实现了一类具有高空气动力学效率和固有稳定性的无系绳昆虫规模飞行机器人，为飞行机器人的进一步小型化提供了重要指导。然而，未来仍面临诸多挑战，如利用先进多线圈系统扩大飞行范围、改进设计和材料以提高飞行控制和有效载荷能力、开发机载能量转换装置以及低延迟无线通信系统等。这些研究方向有望推动昆虫规模飞行机器人性能的提升，使其能够在胃肠道内窥镜检查、管道内检测、搜索救援、环境监测和农业支持等领域发挥重要作用。