麻省理工学院的机器蜂！

文摘 2025-01-19 12:31 湖南

担心地球气候变化可能导致蜜蜂灭绝，进而使果蔬供应大幅减少？别担心。麻省理工学院的研究人员表示，他们已成功研制出机器蜂，其在某些情况下能和真正的蜜蜂一样出色地完成传粉工作，甚至表现更佳。

我们为何需要机器蜂？因为它们能为人工授粉提供更高效的方式，这将使未来的农民有可能在多层仓库内种植果蔬。这反过来既能提高产量，又能减轻传统农业对环境的一些有害影响。

未来某一天，机器蜂或许能从机械蜂巢中涌出，迅速完成精准授粉。受这些天然传粉者解剖结构的启发，研究人员彻底改进了设计，制造出比以往版本更加灵活耐用的微型飞行机器人。新型机器蜂能悬停约 1000 秒，是此前续航时长的 100 倍。

这些机器昆虫重量比一个回形针还轻，飞行速度比类似机器人快得多，还能完成诸如空中双翻之类的特技动作。它们旨在提高飞行精度和灵活性，同时将对人工翅膀的机械应力降至最低。

这将使它们能做出更快的动作，增强耐力，延长使用寿命。新设计还留出了足够空间，使机器人能携带微型电池或传感器，这或许能让它在实验室外自主飞行。

“我们在这篇论文中展示的飞行时长，可能比我们这个领域用这些机器昆虫累计实现的飞行时长总和还要长。随着这款机器人使用寿命和精度的提升，我们离一些非常令人兴奋的应用，比如辅助授粉，越来越近了。”

电机工程与计算机科学系副教授凯文・陈说道。他也是电子研究实验室下属软微机器人实验室的负责人，同时是发表在《科学・机器人》杂志上一篇关于新设计的开放获取论文的资深作者。

此前版本的机器昆虫由四个相同单元组成，每个单元有两个翅膀，组合成一个约微型磁带大小的矩形装置。“但没有昆虫有八个翅膀。在我们原来的设计中，每个单独单元的性能总是优于组装后的机器人。”

陈说。这种性能下降部分是由翅膀的排列方式造成的，翅膀扇动时会相互吹气，从而降低了它们能产生的升力。新设计将机器人一分为二。现在四个相同单元中的每一个都有一个朝远离机器人中心方向扇动的翅膀，这稳定了翅膀并增强了升力。由于翅膀数量减半，这种设计还腾出了空间，以便机器人搭载电子设备。

研究人员还制造出了更复杂的传动装置，将翅膀与驱动翅膀扇动的致动器（即人工肌肉）相连。这些耐用的传动装置需要设计更长的翅膀铰链，减少了限制以往版本续航能力的机械应变。“与旧机器人相比，我们现在能产生比以前大三倍的控制扭矩，这就是为什么我们能进行非常复杂且精确的寻路飞行。” 陈说。

然而，即便有这些设计创新，最出色的机器昆虫与真蜜蜂之间仍存在差距。例如，一只蜜蜂只有两只翅膀，却能做出快速且高度可控的动作。“蜜蜂的翅膀由一组非常复杂的肌肉精细控制。这种精细调节的程度确实让我们着迷，但我们尚未能复制出来。” 他说。

机器蜂的翅膀由人工肌肉驱动，这些人工肌肉是微小的柔性致动器，由夹在两个极薄碳纳米管电极之间的弹性体层制成，然后卷成一个柔软的圆柱体。致动器快速压缩和伸长，产生使翅膀扇动的机械力。

在以前的设计中，当致动器的运动达到飞行所需的极高频率时，这些装置往往会开始弯曲，这降低了机器人的动力和效率。新的传动装置抑制了这种弯曲变形运动，减少了对人工肌肉的压力，使它们能施加更大的力来扇动翅膀。

另一项新设计涉及一个长翅膀铰链，它能减少翅膀扇动时所承受的扭转应力。制造这个约 2 厘米长但直径仅 200 微米的铰链是他们面临的最大挑战之一。“如果在制造过程中有哪怕极其微小的对齐问题，翅膀铰链就会倾斜而不是呈矩形，这会影响翅膀的运动学。” 陈说。

经过多次尝试，研究人员完善了一种多步骤激光切割工艺，使他们能够精确制造每个翅膀铰链。四个单元全部就位后，新型机器昆虫能悬停超过 1000 秒，即近 17 分钟，且飞行精度不会出现任何下降。“我的学生进行那次飞行时说，那是他一生中度过的最漫长的 1000 秒。这个实验极其令人紧张。” 陈说。

这款新型机器人平均速度达到每秒 35 厘米，这是研究人员报告过的最快飞行速度，同时它还能做出侧身翻滚和双翻动作。它甚至能精确追踪拼出 “M - I - T” 的轨迹。“归根结底，我们展示的飞行时长比该领域其他人所能达到的长 100 倍，所以这是一个极其令人兴奋的成果。” 他说。

接下来，陈和他的学生们想看看能将这种新设计推进到什么程度，目标是实现超过 10000 秒的飞行时长。那将近 3 个小时，这对学生们的专注力将是真正的考验。提高机器人的精度，使其能从花朵中心起飞和降落，也是研究人员改进所造机器蜂计划的一部分。

展望未来，研究人员希望在这些飞行机器人上安装微型电池和传感器，以便它们能在实验室外飞行和导航。“这个新的机器人平台是我们团队的一项重大成果，引领了许多令人兴奋的研究方向。例如，在未来三到五年内，在这款机器人上集成传感器、电池和计算能力将是核心重点。” 陈说。

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