@ 2018.06.21 , 18:00

激光动力的机器蝇

激光动力的机器蝇
credit: Mark Stone, University of Washington

不会想拍死这只小飞虫。它不会□□人,也不会蜇人,亦不会传染疾病,而且有一天它或许还能挽救生命和拯救气候。届时,它可以调查农作物,侦测野火,在灾后倒塌的瓦砾中搜寻生还者,并且还能够嗅出燃气泄漏,特别是它能嗅出比二氧化碳还要厉害好几倍的温室气体:甲烷。

现在为大家隆重介绍——机器蝇!

这是第一款不需要连接地面能源就能够起飞的机器飞虫,重量只比一根牙签稍重一些,而且起飞使用的不是螺旋桨,而是拍动的小小翅膀,而,它和无人机一样也是用激光束作为动力。机器蝇身上一块极小的电路板可以将激光能量转化为电能,可以为它的翅膀提供动力来飞行。

目前,机器蝇还只能做到起飞和降落,但是能够挣脱有线供能的束缚是一个好的开始。“在这之前,昆虫大小的无线飞行机器人还只是科幻电影中的概念,”华盛顿大学机械工程系的副教授、机器蝇的创作者之一的Sawyer Fuller表示。“我们最新制作出的无线机器蝇展现出它们更贴近于现实。”

近期研究人员们在布里斯班举办的机器人与自动化国际学术会议上展示了这个最新的作品。

最终,科学家们相信他们这个发明可以有能力在空中盘旋,降落在物体表面,并且可以通过操控激光四处飞行,或者能够在机器蝇上面增装微型电池,或者可以通过射频信号收集能量。他们的目标是可以指挥机器蝇完成一些特定任务,比如说调查农作物的生长情况还有侦测燃气泄漏。他们甚至还想或许能够在它身上装备烟雾探测器,这样它们能够比大一些机器人更加有效率的找出森林火灾。

“有研究提出天然气甲烷的泄露或许太普遍了,可能一个单位的甲烷实际上比一个单位燃煤排放出的温室气体都要厉害,”Fuller说。“这是因为比起使用碳基燃料所排放出来的二氧化碳,天然气有着更加有害的温室气体效应。我希望可以创造出一种技术,可以很方便的找出天然气的泄漏处,以便人们能够修补好泄漏处。”

到时场景会像是这样:

“你可以购买一小箱的这种微型飞行机器人,打开箱子,然后它们自己会自主的飞出来并跟着空气中的羽流找到泄漏处,”Fuller解释说。“一旦它们找到了一处泄漏点,便会降落在泄漏点的附近并且开始闪灯。人们只需要在这它们附近寻找泄漏处就可以了。这可以取代目前人们需要手里拿着气体感应器对区域进行地毯式排查这个辛苦又危险的过程。”

Fuller表示机器蝇要达到这种自主级别还需要几年的时间。“即使这样,我还是认为可能性很大,”Fuller说。“自然界已经向我们证明了在从苍蝇到秃鹫的很多物种中,它们都能够通过空气中化学羽流所携带的信息找到它的源头。”

这种设备在农业领域也十分有价值,“它们可以飞进作物的冠层中,寻找生病的作物并且测量湿度等参数,比起在高处飞行的无人机,它们能收集到更细致的细节,实现一种新型的‘微型农业’,可以适应当地的环境优化产量,”Fuller说。

因此,他表示能够为机器蝇打碎有线供能的枷锁“真的是非常必要的一步,这能让它们可以自由飞行并且完成我们所预想的应用。”

除此之外另一个目标是让机器蝇能够暂歇,拍动翅膀停留在空中、降落并停留在一个地方。“我们对暂歇非常感兴趣,因为这是进行长时间任务时一个非常有效的方法,而且暂歇已经在机器蜜蜂上有过展示了,不过那时还是有线供能的,”团队中一个机械工程博士生Johannes James说。“而我们的是无线的。”

据James所说,比如说机器蝇可以落在管道线上,或者在精炼设施上,然后可以沿着长长的管道完成长时间的探测作业,然后再飞到其它地方收集更多的数据。而且拍打翅膀飞行会耗费能量,能够不拍打翅膀的停留在一个地方可以节省能量。

“像是寻找难以发现的泄漏点时,比起使用单个昂贵的机器人,这种分布式的探测工作能给你更大的优势,”他说。“在表面暂歇或者在表面移动的能力可以帮助延长它们的工作时间。”

团队使用细细的肉眼不可见的激光束投射到机器蝇携带的光电管上来为机器蝇供能,通过光电管可以将激光转换为电能。但是由于单单用激光所产生的电压不足以驱动它的翅膀,所以科学家们又设计了一块电路板来增强光电管输出的电压为机器蝇的飞行提供足够的动力。最终,这个团队希望能够使用电池作为一个能量源,“但是目前电池对于苍蝇大小的机器人来说过于沉重”。

“至于能源解决方案来说,我们未来的工作将包括针对持久飞行的激光供能,在短时间飞行中从环境光线中收集能量然后充电;第三点,也是最让我兴奋的一点,就是由耦合线圈提供的无线能源,有点像是尼古拉·斯特拉的Wardenclyffe高塔和在科罗拉多斯普林斯的项目,”James补充说道。“第三点很难去解释,但是肯定会很酷。”

科学家们还在机器蝇的电路板上安装了一个微型控制器,作用和大脑一样,可以告诉它什么时候应该振动翅膀。

James指出这个机器小家伙或许甚至可以增加科学家对真实世界中昆虫的知识。

“对于飞行昆虫的原理仍旧了解的不透彻,”他说。“事实上,当你想起它的时候会觉得很神奇。这就是机器蝇能够帮助到我们的地方。机器人对于生物研究十分有价值,而且开发一个无线机器蝇是了解真实昆虫的行为的关键步骤。”

本文译自 Popsci,由译者 Diehard 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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