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乐鱼kb体育研究团队提出了一种用于机械感知和可移动环境监测的薄膜扑翼机器人

近日,工程力学系颜志淼副教授在综合期刊《Advanced Functional Materials》上发表了最新研究成果(Scarab Beetle-Inspired Embodied-Energy Membranous-Wing Robot with Flapping-Collision Piezo-Mechanoreception and Mobile Environmental Monitoring, 2023, 2303745)。第一作者为工程力学系硕士研究生侯开宇。该工作基于体现能量的设计范式,开发了一种具备多功能性的仿甲虫薄膜翼机器人,在实现优异气动特性的基础上增加了传感和供能效果,为设计未来智能扑翼微型飞行器提供了一种新方法。

仿昆虫扑翼飞行器在一系列应用中具有重要前景,包括搜索和救援任务、军事侦察和环境监测。它们的吸引力在于其紧凑的尺寸,出色的机动性,和广阔的运动范围,使它们成为未来微型飞行器发展的焦点。此外,昆虫表现出非凡的飞行特性,包括快速倾斜转弯、翻滚、悬停、被动攻角调整、碰撞恢复和扑翼折叠能力。这些发现为设计具有类似飞行能力的仿生飞行器提供了宝贵的启示。

为了实现特技飞行的更高标准,昆虫的传入神经系统和运动神经系统之间的和谐合作至关重要。在扑翼飞行器的当代设计中,传感器承担着类似于传入神经系统的感官责任,适应各种任务的不同需求。虽然这种方法很简单,但它增加了整体重量,并对系统的供能能力提出了挑战。该研究将智能材料和薄膜翅膀进行集成,提出了一种轻量级的智能膜翼,该扑翼具有空气动力学承重、飞行碰撞传感和供能等多种功能。

该研究仿制了甲虫的半管状前缘结构,可抵抗扑翼运动中的空气动力载荷。受甲虫后翅静脉和翅膜的启发,利用多层材料的热层压,制造了具有翅根区、翅中区和翅前区三个翅膜区域的仿生翼。仿生智能翼作为微型飞行器的压电机械接收器,通过压电材料在三个膜场中的电压信号来感知扑翼频率、扑翼变形和碰撞,从而实现对飞行器姿态的调整(如图1所示)。

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图1. 仿生设计和神经感知

仿生薄膜翼的空气动力学性能与真正的甲虫后翼非常相似,该研究进行了上升、稳定飞行、下降、着陆和翻滚实飞测试(如图2),有效升力可以在大多数频率下抵消其重量,扩大的翼展可以在较低的频率下飞行。与此同时,从扑翼运动中收集的能量为机载光强、紫外线等传感器提供动力,用于在化学测绘、污染监测等潜在应用领域实现移动环境监测和环境信号反馈调整。在降噪方面,绷紧的翼膜比传统扑翼飞行器的膜翼产生的拍打噪音更小。此外,自然界中昆虫的飞行降噪非常依赖微观结构,可以为扑翼飞行器的降噪设计提供灵感和启发。

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图2. 气动性能演示和供能应用场景

该研究未来将通过智能计算,将实际昆虫运动与相同运动条件下的智能膜翼电压信号相关联,通过神经网络重建昆虫智能。智能扑翼作为智能计算中的感知智能,通过模仿实际昆虫的感知能力,实现对攻角、风速以及多种飞行姿态的本体感知。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303745

工程力学系
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