靜電飛行器示意圖。北京航空航天大學(xué)供圖

這只“甲蟲”機(jī)器人比礦泉水瓶蓋還小。張渺/攝

靜電飛行器的結(jié)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)供圖

微型機(jī)器人未來(lái)可以像真實(shí)昆蟲一樣在野外自由移動(dòng)，并執(zhí)行特殊任務(wù)。北京航空航天大學(xué)供圖

從幾百噸的飛機(jī)到幾千克的無(wú)人機(jī)，許多人或許會(huì)認(rèn)為，越輕的東西越容易飛起來(lái)。事實(shí)上，當(dāng)飛行器重量小于10克時(shí)，其飛行時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。微型機(jī)器人的飛行時(shí)長(zhǎng)及其動(dòng)力問(wèn)題，是擺在研究者面前的一道難題。

5月8日，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授閆曉軍團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果，發(fā)表于《自然》子刊。該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種用于昆蟲機(jī)器人的微型動(dòng)力系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)，研制了一種快速機(jī)動(dòng)、高載重、無(wú)線可控的微型機(jī)器昆蟲。

兩個(gè)月后，團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)關(guān)于微型飛行器的研究成果，于7月18日在線發(fā)表于《自然》主刊，并同時(shí)獲得《自然》和《科學(xué)》雙頂刊官網(wǎng)的首頁(yè)推薦。

這個(gè)只有4.21克的小家伙，就是目前世界上最輕、最小的純自然光供能微型飛行器，名為靜電飛行器“CoulombFly”。

比一張A4紙還要輕的飛行器

即使是再小的飛行器，想要飛起來(lái)，也必須有發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的動(dòng)力。擺在研究者面前的矛盾之處就在于，目前微型飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部件，一般采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)。但是，電磁電機(jī)在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大，能量轉(zhuǎn)化效率會(huì)急劇下降，甚至降到10%以下。

微型電磁電機(jī)效率下降后，如果采用供電方便的自然光作為能量來(lái)源，受限于太陽(yáng)能電池的面積，很難滿足飛行需求，“飛行器就無(wú)法飛起來(lái)”。

如今，北航團(tuán)隊(duì)自主研制的靜電飛行器，翼展20厘米，重4.21克，整機(jī)僅有巴掌大小，比一張A4紙還要輕。該項(xiàng)研究成果由北航科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，將大幅增加微型飛行器的飛行時(shí)長(zhǎng)，拓展其應(yīng)用范圍。

與此同時(shí)，閆曉軍團(tuán)隊(duì)研發(fā)的另一種用于昆蟲機(jī)器人的微型動(dòng)力系統(tǒng)，可以用于仿生機(jī)器“昆蟲”。這種昆蟲機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了快速機(jī)動(dòng)、高載重、無(wú)線可控，能應(yīng)用于災(zāi)后救援、大型機(jī)械裝備檢修等場(chǎng)景。

無(wú)論是昆蟲機(jī)器人還是微型飛行器，最初的概念，都源于一根微微顫振的細(xì)梁。

“在靜電場(chǎng)環(huán)境中放置一根梁，該梁極其細(xì)微，其直徑僅為二十幾微米，這根梁會(huì)像頭發(fā)絲一樣，在靜電場(chǎng)中顫振，這就是‌微梁靜電顫振現(xiàn)象。我是研究動(dòng)力的，2009年，我在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，想利用這個(gè)現(xiàn)象做點(diǎn)兒什么。”閆曉軍向中青報(bào)·中青網(wǎng)記者解釋。

從這根顫振的微梁開始發(fā)散思維，閆曉軍迅速聯(lián)想到，“昆蟲飛的原理也是一種振動(dòng)”。‌微梁靜電顫振現(xiàn)象，或許能夠成為微型飛行器的動(dòng)力與推進(jìn)的解題思路，從一根微梁，成為一個(gè)最終能夠飛起來(lái)的機(jī)器人。