科技日?qǐng)?bào)記者 李禾

如果看到蟲子，先別急著拿拖鞋打，因?yàn)槟强赡苁且恢槐桓脑爝^的“機(jī)器昆蟲”。

昆蟲擁有令人驚嘆的運(yùn)動(dòng)、彈跳和飛行能力，許多科學(xué)家從昆蟲的生理機(jī)制中汲取靈感，已經(jīng)開發(fā)出不少仿生機(jī)器人，例如Festo的蝴蝶機(jī)器人、仿生螞蟻等。這些仿生機(jī)器人致力于模仿動(dòng)物的生理機(jī)制，但其實(shí)還有一種更高效的方式，那就是直接以生物為基礎(chǔ)打造機(jī)器人。

(相關(guān)資料圖)

新加坡南洋理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)早在2015年就對(duì)“半機(jī)器半昆蟲”進(jìn)行研究，研發(fā)出了世界上最小的機(jī)器昆蟲。他們給活體甲殼蟲背上“電子背包”，通過刺激甲殼蟲的觸須或肌肉控制它們行走或飛行，并且不會(huì)影響昆蟲的壽命。

然而，完全控制甲蟲飛行并不是易事，需要激活多個(gè)飛行肌肉的能力。南洋理工大學(xué)和德國(guó)弗萊堡大學(xué)近期在期刊《類生命系統(tǒng)》（Cyborg and Bionic Systems）發(fā)表了最新研究，證明了甲殼蟲的翼下肌肉對(duì)于飛行時(shí)的俯仰和偏航、翅膀的阻力與升力等具有關(guān)鍵作用，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以讓機(jī)器甲殼蟲的飛行具有更復(fù)雜的機(jī)動(dòng)性，例如懸停、棲息和掃視。

研究人員使用了一種大型的花甲蟲，即烏干達(dá)角金龜作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，它具有敏捷的飛行能力，堅(jiān)固的硬殼可保護(hù)自己免受碰撞，也能承受“電子背包”的負(fù)載。

“電子背包”由一個(gè)小型的微控制器、九軸IMU、接收和發(fā)送器組成，微型I/O接頭可以連接電極，整個(gè)設(shè)備由微型鋰電池供電，IMU用于測(cè)量方向和運(yùn)動(dòng)。這個(gè)背包重1.6g左右，幾乎不會(huì)影響甲殼蟲的飛行速度。

在飛行中，甲殼蟲主要使用三種肌肉來控制翅膀的運(yùn)動(dòng)學(xué)：基底、翼下和第三腋下鞏膜 (3Ax) 肌肉。在之前的研究中，通過刺激甲殼蟲的基底肌肉和3Ax肌肉，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲殼蟲轉(zhuǎn)向控制，但對(duì)翼下肌肉的研究尚未開展。

從解剖學(xué)上講，翼下肌肉的收縮會(huì)壓低甲殼蟲的翅膀后緣，從而增加翅膀的旋轉(zhuǎn)角和迎角，導(dǎo)致翅膀產(chǎn)生的推力減少和升力增加，這種變化可以改變身體角度。

于是，研究人員在甲殼蟲的翼下肌肉中植入電極，再讓它背上“電子背包”，將背包與電腦進(jìn)行無(wú)線連接，就可以遠(yuǎn)程發(fā)送指令，產(chǎn)生電刺激信號(hào)，作用于翼下肌肉，甲殼蟲就能乖乖地改變飛行方式。

在甲殼蟲的飛行實(shí)驗(yàn)中，它們不受限制，可以在一個(gè)較大空間內(nèi)自由飛行，研究人員在飛行環(huán)境中設(shè)置了3D運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和紅外線攝像機(jī)，用來自IMU和運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的反饋閉環(huán)控制回路進(jìn)行飛行控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：刺激單邊的翼下肌肉會(huì)讓機(jī)器甲殼蟲該測(cè)的俯仰角從5度增加到22度，側(cè)偏航角從2度逐漸增加到17度。同時(shí)，其水平加速度降低，垂直加速度增加，這表明機(jī)翼的阻力和升力的增加。

在論文的討論部分中，作者表示：自由飛行實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄將提供肌肉激活模式和飛行機(jī)動(dòng)的精確關(guān)聯(lián)，如果能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)實(shí)施到反饋控制系統(tǒng)中，未來可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)器昆蟲的自主飛行控制。

與那些純機(jī)械的系統(tǒng)相比，比如無(wú)人機(jī)，這種半機(jī)器半昆蟲的混合系統(tǒng)更容易控制，成本更低，而且不用擔(dān)心電池耗盡。

如果在機(jī)器甲蟲上部署一個(gè)小型麥克風(fēng)或者熱傳感器等，它們就能在搜索和救援任務(wù)中發(fā)揮巨大的作用，可以安全地探索以前無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域，例如倒塌建筑物中的小角落和裂縫等。

（文中圖片和視頻均由《類生命系統(tǒng)》期刊編輯部提供）

關(guān)鍵詞： 南洋理工大學(xué)