考虑到它们经常会惊人地撞到周围物体,大黄蜂名副其实。但尽管它们有碰撞记录,这种小昆虫的翅膀却能承受相当大的损伤,并且仍然能正常工作,继续它们的授粉路线。这种令人惊讶的天然翅膀强度通常优于大多数飞行机器人的阵列,后者即使是最小的问题都可能导致其停飞。正是这种韧性促使研究人员深入研究大黄蜂为何如此强健,以及工程师如何模仿这一点来修复他们自己的人工翅膀。
在即将出版的《Science Robotics》研究期刊中,麻省理工学院的一个团队详细介绍了他们改进微型空中机器人驱动器(又称人造肌肉)的新方法,使其能够承受相当大的损伤并继续飞行。在此次实验中,测试机器人的大小约相当于一个微型磁带,重量略高于一枚普通的回形针。每个机器人都有两只翅膀,由超薄的介电弹性体驱动器(DEA)层驱动,这些层夹在两个电极之间并卷成管状。当施加电流时,电极收缩弹性体,导致翅膀扇动。
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DEA 已经存在多年,但其中微小的瑕疵可能会导致电火花损坏设备。然而,大约 15 年前,研究人员意识到,可以通过所谓的“自清除”来避免 DEA 因单次轻微损伤而发生故障,即施加足够高的电压可以使电极与问题区域断开连接,同时保持其其余结构的完整性。
对于大面积伤口,例如导致过多空气通过的翅膀撕裂,研究人员开发了一种激光热合方法,在伤口周边区域造成轻微损伤。完成此操作后,他们便能够利用自清除功能烧掉受损的电极并隔离问题。为了评估效果,工程师们甚至在每个驱动器中集成了电致发光颗粒。如果该区域发光,则意味着该驱动器部分仍在工作;而变暗的部分则表示已报废。
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该团队的修复创新在压力测试中显示出巨大的潜力。自清除功能使空中机器人在性能、姿态和高度上得以保持,而对 DEA 进行激光手术则恢复了约 87% 的正常能力。作为该论文的通讯作者、电气工程与计算机科学系(EECS)助理教授 Kevin Chen 在一份声明中表示:“我们对此非常兴奋。但昆虫仍然优于我们,它们可以损失高达 40% 的翅膀仍然能够飞行。” “我们还有一些追赶工作要做。”
但即使不考虑追赶,新的修复技术也可以在执行搜索和救援任务时派上用场,尤其是在茂密的森林或倒塌的建筑物等复杂环境中。