在仿生『机器人』️领域，昆虫尺度飞行器的研发一直面临着能源供给、推进效率与姿态稳定性之间的棘手矛盾。传统方案采用线缆供电，虽然能够绕过机载电池带来的重量限制，但却大大牺牲了运动自由度，限制了飞行器的灵活应用。而光能、风能等无线🛜供能方式，虽然在一定程度上实现了无缆化，却又因为环境依赖性强、控制精度低等问题而难以广泛应用。值得注意的是，磁驱动技术因其快速响应、穿透性强、可控性高等独特优势，在微型游泳『机器人』️和爬行『机器人』️中已经得到了成功验证。然而，这一技术在空中飞行领域的应用却长期处于空白状态。
近日加州大学伯克利分校的研发人员设计出了一种新型可控无线🛜飞行『机器人』️。它的设计灵感来源于大黄蜂，能够在空中盘旋、调整飞行轨迹，并且具备一定的目标击中能力。这款『机器人』️非常小巧，直径不足1厘米，重量也仅有21毫克，是目前世界上最小的可控无线🛜飞行『机器人』️之一。目前该研究成果已在《Sci. Adv.》子刊发表。
▍『机器人』️设计与操作原理
『机器人』️的主体结构由四个螺旋桨叶片和一个平衡环组成，整个结构通过高精度的三维打印技术制造而成。螺旋桨叶片的设计是『机器人』️能否产生足够升力的关键。研究团队通过大量的实验和数值模拟，优化了叶片的几何形状和尺寸，以在低雷诺数条件下实现最佳的气动性能。同时，叶片的材料选择也经过了精心考虑，以确保其既具有足够的强度以承受高速旋转时的离心力，又足够轻便以减小『机器人』️的整体重量。
无绳亚厘米级飞行『机器人』️的工作原理
平衡环的设计是『机器人』️实现稳定飞行的另一重要因素。它位于螺旋桨叶片的中心，通过增加『机器人』️旋转时的惯性矩，在高频旋转条件下产生强烈的陀螺效应。这种陀螺效应有助于抵抗外部扰动，保持『机器人』️的飞行姿态稳定。平衡环的材料和尺寸也经过了精心计算和设计，以确保其既能提供足够的稳定性，又不会过分增加『机器人』️的重量。
螺旋桨叶片的几何设计
两个微小的永磁体被固定在『机器人』️的主体结构上，它们的磁矩方向与外部磁场方向保持一致，以最小化磁能。这两个永磁体是『机器人』️实现单轴交变磁场驱动的关键。当外部磁场发生变化时，永磁体会受到磁力矩的作用而发生旋转。这个旋转运动通过螺旋桨叶片转化为升力，使『机器人』️能够在空中飞行。
永磁体的选择至关重要。它们需要具有足够的磁能积以产生足够的磁力矩，同时又要足够轻便以减小『机器人』️的整体重量。研究团队经过多次筛选和测试，最终选择了高性能的钕铁硼永磁体，其直径为1毫米，厚度为0.5毫米，每个永磁体的质量为3.15毫克。
无动力红外传感系统
『机器人』️的驱动机制基于单轴交变磁场。外部磁场发生器产生一个交变的磁场，其频率和强度可以精确控制。当这个交变磁场作用于『机器人』️上的永磁体时，会产生一个周期性变化的磁力矩。这个磁力矩驱动永磁体旋转，进而带动螺旋桨叶片旋转产生升力。
为了实现稳定的飞行，研究团队对外部磁场的频率和强度进行了精确的计算和优化。他们发现，当外部磁场的频率与『机器人』️螺旋桨叶片的自然频率相匹配时，会产生共振效应，从而显著提高升力效率。同时，通过调整外部磁场的强度，可以控制『机器人』️的飞行速度和高度。
值得注意的是，由于『机器人』️内部存在空气阻力和惯性力等非线性因素，其运动状态并不是完全由外部磁场决定的。因此，研究团队还开发了先进的控制算法，通过实时监测『机器人』️的飞行状态并调整外部磁场的参数，实现对其运动的精确控制。
在微型飞行器的设计中，飞行稳定性是一个至关重要的问题。传统的飞行稳定控制方法往往依赖于复杂的传感器和控制系统，这会增加『机器人』️的重量和成本。本研究通过创新的陀螺稳定设计，实现了一种无需复杂传感器的飞行稳定性控制方法。
通过施加液滴脉冲扰动进行稳定性测试
如前所述，平衡环的设计增加了『机器人』️旋转时的惯性矩，从而在高频旋转条件下产生强烈的陀螺效应。这个陀螺效应有助于抵抗外部扰动，保持『机器人』️的飞行姿态稳定。此外，研究团队还通过优化螺旋桨叶片的形状和尺寸，使其产生的不对称气流能够对『机器人』️的飞行姿态产生微调作用，进一步提高了飞行稳定性。
▍实验结果与分析
在实验测试中，研究人员发现该『机器人』️能够自动调整其滞后角（即永磁体旋转角度与外部磁场变化之间的相位差）以适应不同强度的磁场变化。这种自适应能力简化了飞行操作，使『机器人』️能够在不同条件下保持稳定的飞行状态。
实验装置一览
通过光学装置和高速相机📷️，研究人员测量了『机器人』️在不同频率和强度磁场下的角速度和滞后角。实验结果表明，随着驱动频率的增加，『机器人』️的角速度也相应增加，但滞后角却保持在较小的范围内（如12°左右）。这种稳定的滞后角关系对于维持『机器人』️的持续稳定飞行至关重要。
旋转运动学和气动性能
此外，研究人员还通过数值模拟和实验验证了『机器人』️的气动性能。结果表明，随着驱动频率的增加，『机器人』️的升力和阻力均有所增加，但升力-阻力比（即升力与阻力之比）却呈现先增加后趋于稳定的趋势。在雷诺数约为2500时，『机器人』️的升力-阻力比达到了0.7，这一指标优于许多其他微型飞行器。
向上、悬停、碰撞生存和姿态恢复的无系留飞行演示
在飞行测试中，该『机器人』️成功实现了向上飞行、悬停、避障和航迹调整等复杂动作。向上飞行测试显示，『机器人』️在约138毫秒内飞行了约4厘米的距离，平均垂直加速度为1.4米/秒²。悬停测试则表明，『机器人』️能够在空中保持一定时间的稳定飞行状态。避障测试中，『机器人』️通过调整飞行轨迹成功避开了障碍物，并展示了良好的目标击中能力。
左转飞行并与现有技术进行比较
在碰撞测试中，研究人员发现该『机器人』️在碰撞后能够迅速恢复飞行姿态，存活率高达76.5%。这一结果充分证明了该『机器人』️在复杂环境中的鲁棒性和可靠性。
▍结语与未来：
加州大学伯克利分校研究人员通过磁-力耦合驱动设计与低雷诺数气动优化，研制出全球最小的可控无线🛜飞行『机器人』️，并在微型化、能效比与抗扰动能力等核心指标上取得突破，解决了传统微型飞行器依赖线缆、控制笨重的难题。梯度磁场导航与陀螺稳定技术的结合，为微型无人系统的自主化提供了全新的参考方向。尽管目前续航时间与三维控制方面仍需突破，但该研究已向昆虫尺度的仿生『机器人』️实用化迈出了关键一步。
