從幾百噸(dun)的(de)飛(fei)(fei)機(ji)(ji)到幾千(qian)克的(de)無人機(ji)(ji)，許多人或許會(hui)認(ren)為，越輕的(de)東西越容易飛(fei)(fei)起來。事(shi)實(shi)上，當飛(fei)(fei)行(xing)器重量小于10克時(shi)，其(qi)飛(fei)(fei)行(xing)時(shi)間一般不超過10分鐘。微型機(ji)(ji)器人的(de)飛(fei)(fei)行(xing)時(shi)長及其(qi)動力問題，是擺在研(yan)究(jiu)者面前(qian)的(de)一道(dao)難(nan)題。

　　5月(yue)8日，北京航空航天大學(xue)(xue)能源與(yu)動(dong)(dong)力工程(cheng)學(xue)(xue)院(yuan)教授閆曉(xiao)軍團隊的(de)一(yi)項(xiang)研究成果，發表于(yu)《自然》子刊(kan)。該團隊發明了一(yi)種用于(yu)昆蟲機(ji)(ji)器人的(de)微型動(dong)(dong)力系統，并(bing)以此(ci)為基礎，研制了一(yi)種快速機(ji)(ji)動(dong)(dong)、高(gao)載重(zhong)、無線可控(kong)的(de)微型機(ji)(ji)器昆蟲。

　　兩個月(yue)后，團隊的另一項關于微型飛行(xing)器的研究成(cheng)果，于7月(yue)18日在線發表于《自然》主刊，并(bing)同時(shi)獲得《自然》和(he)《科(ke)學》雙頂刊官網的首頁推薦。

　　這個只有4.21克(ke)的(de)小家伙，就是目前世界上最(zui)輕、最(zui)小的(de)純自然(ran)光供能微(wei)型飛行(xing)器(qi)，名(ming)為靜電飛行(xing)器(qi)“CoulombFly”。

　　比一張A4紙還(huan)要(yao)輕的飛(fei)行器

　　即使是(shi)再小(xiao)的(de)(de)(de)飛行器，想要飛起來，也必須有發(fa)動(dong)(dong)機提(ti)供(gong)足夠的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)。擺在研究(jiu)者面(mian)前的(de)(de)(de)矛盾(dun)之處就在于，目(mu)前微型(xing)飛行器的(de)(de)(de)發(fa)動(dong)(dong)機驅動(dong)(dong)部件，一般采用傳統的(de)(de)(de)電(dian)磁電(dian)機。但是(shi)，電(dian)磁電(dian)機在微型(xing)化后(hou)轉速高、發(fa)熱大，能量轉化效率(lv)會(hui)急劇下降(jiang)，甚至降(jiang)到(dao)10%以下。

　　微型電(dian)(dian)磁電(dian)(dian)機(ji)效率下降后，如果采用供電(dian)(dian)方便的(de)自然(ran)光作為能量來源(yuan)，受限(xian)于太陽能電(dian)(dian)池(chi)的(de)面積，很難(nan)滿足飛行需求，“飛行器(qi)就無法飛起來”。

　　如今，北航團隊自(zi)主(zhu)研制的靜電飛行(xing)(xing)器，翼展20厘米(mi)，重4.21克(ke)，整(zheng)機僅有(you)巴掌大小，比(bi)一張(zhang)A4紙還要輕。該項(xiang)研究(jiu)成果由北航科研團隊自(zi)主(zhu)研發，將大幅增加微型飛行(xing)(xing)器的飛行(xing)(xing)時(shi)長，拓展其應用范圍。

　　與此同時，閆曉軍團隊研發(fa)的(de)另(ling)一種(zhong)(zhong)用于(yu)(yu)昆蟲(chong)機(ji)(ji)器人(ren)的(de)微型(xing)動力系統，可以用于(yu)(yu)仿(fang)生(sheng)機(ji)(ji)器“昆蟲(chong)”。這種(zhong)(zhong)昆蟲(chong)機(ji)(ji)器人(ren)實(shi)現了(le)快速機(ji)(ji)動、高載重、無線可控，能(neng)應(ying)用于(yu)(yu)災后(hou)救援、大型(xing)機(ji)(ji)械裝備檢修等場景。

　　無(wu)論是昆蟲機器(qi)人(ren)還是微型飛(fei)行器(qi)，最初(chu)的(de)概念，都源于(yu)一根微微顫振的(de)細梁(liang)。

　　“在靜(jing)電場環境中(zhong)放置(zhi)一(yi)根梁，該梁極其(qi)細微，其(qi)直徑僅(jin)為二十幾微米(mi)，這(zhe)根梁會像頭發絲(si)一(yi)樣，在靜(jing)電場中(zhong)顫(zhan)(zhan)振，這(zhe)就是(shi)?微梁靜(jing)電顫(zhan)(zhan)振現(xian)象(xiang)。我是(shi)研究動力的，2009年，我在實(shi)驗室(shi)中(zhong)發現(xian)這(zhe)一(yi)現(xian)象(xiang)后，想利用這(zhe)個現(xian)象(xiang)做點兒(er)什么。”閆曉軍向中(zhong)青報·中(zhong)青網記者解釋(shi)。

　　從這根顫振(zhen)的(de)(de)(de)微梁(liang)開始發散思維，閆曉軍迅速聯想到，“昆蟲飛(fei)(fei)的(de)(de)(de)原理也是一(yi)(yi)種振(zhen)動”。?微梁(liang)靜電顫振(zhen)現象，或許能夠成為微型飛(fei)(fei)行器的(de)(de)(de)動力(li)與推進(jin)的(de)(de)(de)解題思路(lu)，從一(yi)(yi)根微梁(liang)，成為一(yi)(yi)個最(zui)終能夠飛(fei)(fei)起來的(de)(de)(de)機器人。

　　閆(yan)曉軍(jun)開(kai)始探(tan)索將微梁顫振(zhen)機制(zhi)應用于微型飛行(xing)器或微小型昆蟲機器人等領域的(de)(de)(de)可能性，他當時(shi)的(de)(de)(de)博士生漆明(ming)凈(jing)(jing)、劉(liu)志偉先(xian)后轉(zhuan)到此方向，圍繞這一現象開(kai)展了研(yan)究。漆明(ming)凈(jing)(jing)博士畢業后留校(xiao)任教(jiao)，繼續在閆(yan)曉軍(jun)團隊中進行(xing)相關(guan)研(yan)究。此后，在研(yan)發靜(jing)電電機的(de)(de)(de)申(shen)威和(he)研(yan)發升壓系統的(de)(de)(de)彭(peng)謹哲兩(liang)位(wei)博士生共同努力(li)下，團隊取得(de)了突破性進展。

　　申威是(shi)漆明凈的(de)博(bo)士研究(jiu)生，在(zai)北航能(neng)源與動(dong)力工程學院的(de)實驗室里，他(ta)向中(zhong)青報·中(zhong)青網記者展示了能(neng)夠起飛的(de)靜電電機。在(zai)細小的(de)嗡(weng)鳴聲中(zhong)，巴(ba)掌大小的(de)微型飛行器輕輕向上飛起。

　　就(jiu)是這種基(ji)于靜電(dian)電(dian)機原理的微型飛行(xing)器，登(deng)上了(le)《自然(ran)》和《科學》雙頂刊官網的首頁。

　　從爬行到起飛

　　北(bei)航(hang)博士生、團(tuan)隊成(cheng)員詹文成(cheng)也(ye)給中青報(bao)·中青網記者展示了團(tuan)隊最(zui)新的(de)成(cheng)果。擁有黑色外殼的(de)“甲蟲(chong)”，看(kan)上去還沒有一個(ge)礦(kuang)泉水瓶蓋大，在復(fu)雜(za)的(de)微縮地形測試中，小巧(qiao)的(de)昆蟲(chong)機器人(ren)展現(xian)出驚人(ren)的(de)靈活性(xing)與(yu)適應性(xing)，四條細長的(de)腿靈活擺動，在障礙物中間來回穿梭，宛如真正的(de)甲蟲(chong)。

　　據詹文成(cheng)介(jie)紹(shao)，昆蟲機器(qi)人(ren)體(ti)內植(zhi)入了能(neng)(neng)源(yuan)、控制、通(tong)信和(he)傳(chuan)感系統，能(neng)(neng)夠通(tong)過精(jing)密的(de)傳(chuan)感器(qi)與智能(neng)(neng)算(suan)法，精(jing)準識別并避開障礙，執行(xing)(xing)探測任務。團隊還設(she)計了仿生奔跑步(bu)態，讓這只機械(xie)甲蟲能(neng)(neng)夠進行(xing)(xing)步(bu)頻(pin)和(he)步(bu)幅的(de)自適應調節，即(ji)使(shi)在(zai)高載(zai)重的(de)情況下，也能(neng)(neng)夠快(kuai)速爬(pa)行(xing)(xing)。

　　“承載能力有(you)很大的(de)突破，它的(de)自重是0.3克，可以在帶(dai)一個2克重物的(de)情(qing)況下，每秒大概爬行40厘米(mi)。”詹文成(cheng)說。“目前我(wo)們最(zui)復雜的(de)是一套視覺傳感系統，重量大概是1.5克。”

　　這只碳(tan)纖維(wei)“甲(jia)蟲”每一個(ge)(ge)細(xi)微的(de)動作背后，都積累了團隊在(zai)微機(ji)電系統(tong)、人(ren)(ren)工智能(neng)算法及仿生學(xue)(xue)設計上15年的(de)心血。從最早的(de)機(ji)理研究(jiu)，到(dao)后來(lai)慢慢拓(tuo)(tuo)展至(zhi)驅(qu)動器(qi)的(de)研究(jiu)，再慢慢拓(tuo)(tuo)展到(dao)整機(ji)。這項研究(jiu)跨越了力學(xue)(xue)、電學(xue)(xue)、控制學(xue)(xue)和(he)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)等多個(ge)(ge)學(xue)(xue)科，且(qie)在(zai)初期面臨設備缺乏(fa)和(he)經驗(yan)不(bu)足的(de)挑戰。

　　用閆曉(xiao)軍的話說，這個過(guo)程可謂“篳路藍縷”。

　　“我們最早設計昆蟲機器人，其(qi)實是想讓它飛(fei)起(qi)來(lai)的(de)。但是目前微型機器人如果使(shi)用大(da)容量電池，重量過大(da)導致無(wu)法飛(fei)起(qi)來(lai)；如果用小容量電池，則無(wu)法提供足夠(gou)的(de)能量讓其(qi)飛(fei)起(qi)來(lai)，所以最后(hou)就轉而做(zuo)成了(le)爬行的(de)。”閆曉軍略顯(xian)遺(yi)憾地(di)說。

　　為了讓“甲蟲”能飛(fei)起來，閆曉(xiao)軍和(he)團隊其他成員找(zhao)來生(sheng)物學(xue)的相關(guan)文獻，仔細(xi)研(yan)究；又找(zhao)來了一些(xie)昆(kun)蟲紀錄片，包括蜜蜂、蜻蜓(ting)等，一幀一幀研(yan)究昆(kun)蟲飛(fei)行的姿態和(he)軌(gui)跡。

　　他們(men)甚至(zhi)買來蜜蜂(feng)，在實驗室里觀察(cha)它(ta)的翅膀如何扇動。

　　“蜜蜂的話，我們主要是(shi)收集翅膀(bang)的振動(dong)參(can)數，比如翅膀(bang)來回(hui)擺(bai)動(dong)的最大角(jiao)，一般是(shi)120度(du)。還(huan)(huan)有它擺(bai)動(dong)的頻率，一秒(miao)大概是(shi)200多赫茲。它的翅膀(bang)不(bu)但(dan)會振動(dong)，還(huan)(huan)會扭動(dong)，我們也(ye)會統(tong)計它的扭轉角(jiao)，大概是(shi)45度(du)。”詹文成說(shuo)。

　　然(ran)(ran)而，團(tuan)隊盡最大(da)努力(li)，仿制的(de)翅膀仍然(ran)(ran)未能(neng)實(shi)現像蜜蜂翅膀那么大(da)的(de)升力(li)。

　　“還有成(cheng)員不(bu)小(xiao)心，被蜜蜂蜇了。”閆曉軍(jun)苦笑著說，“一(yi)開始，我們以為是翅膀振動(dong)的軌(gui)跡有問題(ti)。研究過昆蟲紀錄片(pian)之(zhi)(zhi)后(hou)，軌(gui)跡做對了，升(sheng)力還是不(bu)夠。我們現在(zai)就卡在(zai)了這(zhe)個環節(jie)。電路之(zhi)(zhi)類的，我們都已經用到極致(zhi)了，都是非常小(xiao)的。”

　　盡管(guan)不能飛，團隊(dui)的這(zhe)只“甲(jia)蟲”仍然在(zai)微(wei)型機器人領域實(shi)現了(le)重大突破。

　　傳(chuan)統微型機器人內(nei)部空間(jian)不足以(yi)承載大容量電池，必須通過外(wai)接電源持續供電，無法自由移動(dong)。而北航(hang)科研團隊開(kai)發出了基于(yu)直線式(shi)驅動(dong)、柔性(xing)鉸鏈傳(chuan)動(dong)的新型動(dong)力系統，“甲蟲”擺脫(tuo)了尾(wei)巴一樣(yang)的電線，每充電2分(fen)鐘(zhong)，就可(ke)以(yi)自由奔跑10分(fen)鐘(zhong)。

　　在研究的路(lu)上(shang)不斷試(shi)錯

　　團隊沒有放棄讓(rang)昆蟲機(ji)器人飛起來(lai)的夢(meng)想。

　　整(zheng)個(ge)課題組分成(cheng)了幾個(ge)不同(tong)的(de)小(xiao)組，分別研究(jiu)不同(tong)的(de)技術方案，以尋求(qiu)最優(you)的(de)工程解決方案。團隊成(cheng)員、北航副教授劉(liu)志(zhi)偉帶著博(bo)士生詹(zhan)文成(cheng)繼續研究(jiu)昆蟲機器人，漆(qi)明凈則轉向了靜電電機方向的(de)研究(jiu)。

　　“在我們(men)學(xue)校，每個學(xue)生(sheng)可能都(dou)會對飛行有一些憧(chong)憬，但是想自(zi)己研發出飛行的系統真(zhen)的很難(nan)。我們(men)嘗(chang)試(shi)了(le)很多種驅動(dong)(dong)方式，都(dou)比較(jiao)難(nan)。最(zui)后我們(men)嘗(chang)試(shi)了(le)靜電(dian)(dian)電(dian)(dian)機的構(gou)建，這(zhe)個不是像微梁那樣來回振動(dong)(dong)，而是旋轉式。這(zhe)樣的話(hua)，功率輸出就不受限了(le)。”申(shen)威解釋。

　　據(ju)介(jie)紹，微型飛行器小(xiao)體積、輕質(zhi)量、高機動，能夠在狹小(xiao)空間執行拍照、探(tan)測和運輸等(deng)特種任務，在國民(min)經濟領域擁有廣泛(fan)應用前景。

　　為了解決驅(qu)動(dong)和續航的(de)(de)難(nan)題，團(tuan)隊從微型(xing)(xing)發(fa)動(dong)機的(de)(de)原理方面尋求突破，提出一種新的(de)(de)靜(jing)電(dian)(dian)驅(qu)動(dong)方案(an)，研制(zhi)出了在微小尺寸(cun)下轉速低(di)、發(fa)熱小、效率高的(de)(de)微型(xing)(xing)靜(jing)電(dian)(dian)電(dian)(dian)機，并成功試(shi)飛(fei)靜(jing)電(dian)(dian)飛(fei)行器。

　　“靜電(dian)(dian)電(dian)(dian)機(ji)的概念(nian)幾百年(nian)前就有了，比(bi)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)機(ji)出現(xian)得更早，但是一直沒有被利(li)用起來(lai)，其理論方向也有些偏差。經過我(wo)們的改進和(he)重新構建，把它的輸(shu)出功率提(ti)高了很(hen)多，從(cong)而(er)能夠(gou)實現(xian)飛行。”申威說。

　　據了(le)解，這(zhe)種新型微(wei)型飛(fei)行器主要由(you)靜電(dian)發動(dong)機和(he)超(chao)輕(qing)質高壓(ya)電(dian)源組(zu)成，具備0.568瓦(wa)的低功耗和(he)30.7克每瓦(wa)的高升力優勢，首次實現了(le)微(wei)型飛(fei)行器在純自然(ran)光供能下的起飛(fei)和(he)持續(xu)飛(fei)行。

　　盡管在靜電電機的方向(xiang)上有了突破，但(dan)閆曉(xiao)軍告訴記者，團隊仍然不會(hui)放棄讓(rang)“甲蟲”飛(fei)起(qi)來這(zhe)件事(shi)。

　　“我們還在探索各種各樣的技術方案，包括增大振動(dong)頻率、改變驅動(dong)方案等，都(dou)不會(hui)放(fang)棄。”閆(yan)曉軍(jun)提(ti)到(dao)，自己(ji)的導師聶景旭教(jiao)授懷揣著(zhu)“空(kong)(kong)天(tian)報國”的熱(re)情投身(shen)航空(kong)(kong)事業，搞研究“特別執著(zhu)”，每次提(ti)出的方案都(dou)“非(fei)常(chang)巧妙，充滿了智(zhi)慧(hui)”。這種執著(zhu)的精神(shen)，鼓舞(wu)著(zhu)一代一代的北航人，點燃(ran)了他(ta)們的科研興趣。在閆(yan)曉軍(jun)看(kan)來，如今團隊(dui)中的這些博士(shi)生，也都(dou)有著(zhu)同樣的熱(re)情和執著(zhu)。

　　“搞發(fa)動機研(yan)制(zhi)這條路，需要有一顆(ke)熱(re)愛的心，堅持去試錯，直到走通。”他說。