RoboFly：全球首款激光供電的無線飛行機器人

導讀

近日，美國華盛頓大學的工程師們首次切斷了束縛飛行機器人的電線，並為它們添加了「大腦」。他們設計出的飛行機器人 RoboFly 展開了首次獨立地振翅飛行。對於 RoboFly 來說，這是一次微小的振翅；對於機器人類來說，這卻是一次巨大的飛躍。

背景

昆蟲般大小的飛行機器人能幫助人類完成費時的任務，例如調查大型農場的農作物生長情況，或者嗅出泄露的氣體。但是這些機器人小到無法使用螺旋槳，因此它們的飛行是靠振動微小的翅膀。然而，作為這些機器人的「表親」，比它們更大的無人機，通常會採用螺旋槳。小尺寸的優勢在於：這些機器人製造成本低，易於「溜進」狹小的空間中，而比它們更大的無人機卻沒有辦法進入狹小的空間。

但是，目前飛行機器人仍然需要用電線拴在地面上。例如，筆者曾經介紹過美國哈佛大學工程和應用科學學院開發的微型飛行機器人 RoboBee，這種昆蟲般大小的機器人既可以游泳，也可以飛行。但是，供電以及控制翅膀的電子設備一般都重到讓這些小型機器人難以攜帶。因此，為了節省重量，電力必須用電線從外部來供給。

（圖片來源: 哈佛大學微型機器人實驗室 / 工程和應用科學學院）

創新

近日，美國華盛頓大學的工程師們首次切斷了束縛飛行機器人的電線，並為它們添加了「大腦」。他們設計出的飛行機器人 RoboFly 展開了首次獨立地振翅飛行。對於 RoboFly 來說，這是一次微小的振翅；而對於機器人類來說，這卻是一次巨大的飛躍。

5月23日，團隊將他們的研究成果發表於澳大利亞布里斯班召開的機器人與自動化國際會議（International Conference on Robotics and Automation）上。

（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學）

技術

RoboFly 只比牙籤稍微重一點點，並由激光供電。它採用一個微型板上電路將激光的能量轉化為足夠的電力來操控其翅膀。

（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學）

論文合著者之一、華盛頓大學機械工程系助理教授 Sawyer Fuller 表示：「之前，昆蟲大小的無線飛行機器人的概念只出現在科幻小說中。那麼，我們能在無線的情況下讓它們工作嗎？我們的新型無線 RoboFly 已非常接近現實。」

工程方面的挑戰主要在於振翅。拍打翅膀是一個功耗很大的過程，電源和指揮翅膀的控制器都很大且很笨重，以至於微型機器人無法搭載它們。所以，之前的昆蟲機器人 RoboBee 才會被一根電線牽住，這根電線用於接收來自地面的能量和控制。

但是，飛行機器人應該能夠自己單獨操作。Fuller 及其團隊決定採用狹窄的不可見激光束來為機器人供電。他們讓激光束指向貼在RoboFly上方的光伏電池，並將激光轉化為電力。

（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學）

論文合著者之一、華盛頓大學 Paul G. Allen 計算機科學與工程學院的 Shyam Gollakota 表示：「為了將大量電力迅速傳輸至同時又不增加很多重量，這是最有效的途徑之一。」

激光仍然無法單獨提供足夠的電壓來移動翅膀。因此，團隊設計了一個電路，它將光伏電池輸出的7伏電壓提升至飛行所需的240伏。同時，為了讓 RoboFly 控制自己的翅膀，工程師們設計了一個「大腦」：他們在相同的電路中添加了一個微控制器。

如下圖所示：具有升壓電路（左邊的銅線圈和黑色盒子）的柔性電路（黃色）

以及微控制器「大腦」（右上方的黑色正方形盒子）。

（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學）

論文合著者之一、華盛頓大學電氣工程系博士生 Vikram Iyer 表示：「微控制器就像真實的飛行昆蟲的大腦，告訴翅膀肌肉什麼時間工作。它發送『用力拍打』或者『停止拍打』等指令給RoboFly的翅膀。」

（圖片來源: Mark Stone / 華盛頓大學）

特別是，控制器以波的形式發送電壓模模擬實昆蟲翅膀的振動。論文領導作者、機械工程系博士生 Johannes James 表示：「它使用脈衝形成波。為了讓翅膀迅速地拍打，它迅速發出一系列脈衝，然後當快要達到波峰時，它會讓脈衝變慢。然後，它會相反地操作，讓翅膀向另外一個方向平穩地拍打。」

價值

Fuller 說：「我真想做成一個能找到甲烷泄露的飛行機器人。你買到一個充滿飛行機器人的手提箱，打開它，然後這些飛行機器人會在建築物附近飛來飛去，尋找管道泄漏的氣體羽流。如果這些機器人能很容易找到泄露，那麼這些泄露就會很可能被迅速修復，從而減少溫室氣體排防。它受到了真實飛蟲的啟發，這些飛蟲非常善於飛來飛去尋找有氣味的東西。所以我們認為，這對於 RoboFly 來說是一個好應用。」

未來

現在，RoboFly 只能起飛和降落。一旦它的光伏電池離開激光的直接瞄準線，機器人將會停電並降落。但是團隊希望不久能夠操控激光，讓 RoboFly 可以盤旋並且飛來飛去。

Gollakota 表示，目前 RoboFly 由激光供電，而未來的版本將採用電池或者從無線電信號中吸收能量。那樣的話，他們的電源可以根據特殊的任務需要進行修改。

Fuller 表示，未來的 RoboFlies 有望具有更高級的「大腦」和感測器系統，從而幫助它們導航以及獨立地完成任務。

關鍵字

機器人、無人機、激光、供電

參考資料

【1】http://www.washington.edu/news/2018/05/15/robofly/

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