基于動態(tài)自適應原理參照昆蟲結(jié)構(gòu)設計的飛行機器人的優(yōu)劣

　　當Chen Li還在加州伯克利分校的Poly-Pedal實驗室和 Biomimetic Millisystems 實驗室做研究員時，這兩個實驗室都在研發(fā)具備多飛行功能的機器人，為此他們參照了蟑螂的生理結(jié)構(gòu)，為這些飛行機器人設計了用于穿越障礙物的外殼。隨著 Chen Li 畢業(yè)，這種設計方式開始被帶到了更多地方，比如他畢業(yè)后所去的約翰霍普金斯大學。在那里，他擁有自己的實驗室 Terradynamics。

　　在2016年的 IROS 上，Chen Li 發(fā)表了自己的一篇論文，闡述要如何使用新的方法設計一款“帶腳又帶殼”的飛行機器人——基于動態(tài)自適應原理，參照昆蟲的結(jié)構(gòu)設計出可以自己翻轉(zhuǎn)的飛行機器人。

　　之所以采用這種設計方式，是因為僅僅具備類似蟑螂外殼設計的機器人并不能很好地做到獨立進行翻轉(zhuǎn)運動，如果在飛行過程中它們不小心被翻轉(zhuǎn)過來，就會無法動彈。真正的蟑螂并不存在這個問題，因為他們能夠使用自己的翅膀重新獲得平衡。為此，李教授將機器人的殼體設計成了兩瓣，并在其中加入一些促動器，從而設計出具備相同能力的“蟑螂機器人”。

　　為了讓飛行更有效率，這款蟑螂機器人的翅膀被設計得相當寬大。根據(jù)實驗室的試驗結(jié)果，即便是在機器人處于電量低的狀態(tài)下時，機器人仍然能夠成功地進行自我翻轉(zhuǎn)——分開的兩瓣獨立式設計的翅膀在不對稱打開工作時，能夠幫助機器人重獲平衡。

　　據(jù)李教授透露，飛行機器人這種自我糾正的方法和其他自動糾正方法相比更具優(yōu)勢，是因為這種翅膀的設計能夠讓機器人學會“變形”，實現(xiàn)多種運動功能的自由切換，包括穿越各種障礙物，進行自我扶正等等。李教授所在的 Terradunamics 實驗室目前就正致力于這種可集成多功能飛行機器的研究。此外，利用這種基于翅膀式設計的自我平衡是一種動態(tài)的實現(xiàn)，通過更強大的功能來克服飛行障礙，這比目前使用準靜態(tài)形狀變化的設計更高效的表現(xiàn)性能，在重心移動、被動旋轉(zhuǎn)的條件下能夠重新進行“自我組裝”。

　　翅膀的設計還包含著很多的細分參數(shù)調(diào)配，通過調(diào)整翅膀張開的幅度、速度、不對稱性和形成形狀來實現(xiàn)不同的功能，這些不同的定量關系作為設計中的準則，能夠用于調(diào)整和實現(xiàn)期望中的目標性能。而所有這些在以往傳統(tǒng)的自我調(diào)整機制中都是不具備的。

　　當然，李教授也表示，目前要制造出一個能夠像蟑螂一張靈活的機器人還有很長的一段路要走。因為這樣的機器人意味著需要同時具備疾走、飛行、爬行等多種復雜運動能力，而這些在動態(tài)復雜環(huán)境中實現(xiàn)多種功能的研發(fā)目前而言仍然具備一定的挑戰(zhàn)性，它還需要類似于空氣動力學和流體動力學的先進運動地形交互模型。不過目前 Terradynamics 已經(jīng)開始了相關的研究。即便所有這些技術問題得到了有效解決，最后還有非常重要的工程問題需要完成，包括功率的限制、既堅固又有彈性的材料開發(fā)和設計等等。