機器昆蟲未來可能協助機械授粉

未來，農民可以使用更有效的人工授粉方法，在多層倉庫內種植水果和蔬菜，這樣不僅可以提高產量，還能減少農業對環境的傷害。

為了實現這個想法，麻省理工學院 (MIT) 的研究人員正在開發機器昆蟲，這些昆蟲未來可能會從機械蜂巢中飛出，快速進行精確的授粉。然而，即使是最好的小型機器人，在耐力、速度和靈活性方面也無法與蜜蜂等自然授粉者相比。

現在，受到這些自然授粉者的啟發，研究人員對設計進行了全面改造，製造出比之前版本更靈活、更耐用的小型空中機器人。他們的研究發表在《科學機器人學》期刊上。

這些新機器人可以懸停約1000秒，這比之前的演示長了100多倍。這種機器昆蟲的重量不到一個回形針，飛行速度比類似的機器人快得多，並且能完成雙重空中翻轉等特技動作。

這種改進的機器人旨在提高飛行精度和靈活性，同時減少人工翅膀彎曲時的機械壓力，這樣可以實現更快的動作、更長的耐力和更長的壽命。

新設計還留有足夠的空間，讓機器人可以攜帶小型電池或傳感器，這樣就能在實驗室外自主飛行。

「我們在這篇論文中展示的飛行時間，可能比我們這個領域以往所有機器昆蟲的飛行時間加起來還要長。隨著這種機器人的壽命和精度的提高，我們正朝著一些非常令人興奮的應用邁進，比如輔助授粉，」陳凱文（Kevin Chen）說。

陳凱文是電機工程與計算機科學系 (EECS) 的副教授，也是電子研究實驗室 (RLE) 的軟體與微型機器人實驗室的負責人，並且是這項新設計的開放存取論文的主要作者之一，還有共同作者金秀韓（Suhan Kim）和蕭怡萱（Yi-Hsuan Hsiao），他們都是EECS的研究生；以及EECS研究生任志堅（Zhijian Ren）和暑期訪問學生黃家樹（Jiashu Huang）。

提升性能

之前版本的機器昆蟲由四個相同的單元組成，每個單元有兩個翅膀，組合成一個約微型錄音帶大小的矩形設備。

「但沒有昆蟲有八個翅膀。在我們的舊設計中，每個單元的性能總是比組合起來的機器人更好，」陳凱文說。

這種性能下降部分是由於翅膀的排列，當翅膀拍打時會互相吹氣，減少了它們能產生的升力。

新設計將機器人分成兩部分。每個四個相同的單元現在都有一個朝外拍打的翅膀，這樣可以穩定翅膀並增強升力。減少翅膀的數量也為機器人騰出了空間，可以攜帶電子元件。

此外，研究人員還創造了更複雜的傳動系統，將翅膀連接到拍打它們的驅動器或人工肌肉上。這些耐用的傳動系統需要設計更長的翅膀鉸鏈，減少了限制過去版本耐力的機械壓力。

「與舊機器人相比，我們現在可以產生三倍於以前的控制扭矩，這就是我們能夠進行非常複雜和精確的導航飛行的原因，」陳凱文說。

然而，即使有這些設計創新，最好的機器昆蟲與真正的昆蟲之間仍然存在差距。例如，蜜蜂只有兩個翅膀，但它可以進行快速且高度控制的動作。

「蜜蜂的翅膀由一組非常複雜的肌肉精細控制。這種精細調整的水平讓我們非常著迷，但我們還沒有能夠複製，」他說。

減少壓力，增加力量

機器人翅膀的運動由人工肌肉驅動。這些小型柔性驅動器由層層彈性體夾在兩個非常薄的碳納米管電極之間，然後捲成一個柔軟的圓柱體。驅動器快速壓縮和延伸，產生機械力來拍打翅膀。

在以前的設計中，當驅動器的運動達到飛行所需的極高頻率時，設備經常會開始彎曲，這減少了機器人的功率和效率。新的傳動系統抑制了這種彎曲運動，減少了對人工肌肉的壓力，使它們能夠施加更多的力量來拍打翅膀。

另一個新設計涉及一個長翅膀鉸鏈，減少了在拍打翅膀運動中經歷的扭轉應力。製作這個長約2厘米但直徑僅200微米的鉸鏈是他們面臨的最大挑戰之一。

「如果在製作過程中有哪怕一點點的對齊問題，翅膀鉸鏈就會傾斜而不是矩形，這會影響翅膀的運動學，」陳凱文說。

經過多次嘗試，研究人員完善了一個多步驟的激光切割過程，使他們能夠精確製作每個翅膀鉸鏈。

當四個單元都到位時，新的機器昆蟲可以懸停超過1000秒，這相當於幾乎17分鐘，且不會顯示出飛行精度的下降。

「當我的學生尼莫（Nemo）進行那次飛行時，他說那是他一生中度過的最慢的1000秒。這次實驗非常緊張，」陳凱文說。

這種新機器人還達到了每秒35厘米的平均速度，這是研究人員報告的最快飛行速度，同時執行身體翻轉和雙重翻轉。它甚至可以精確追蹤出拼寫“M-I-T”的軌跡。

「最終，我們展示的飛行時間是這個領域其他人能做到的100倍，所以這是一個非常令人興奮的結果，」他說。

接下來，陳凱文和他的學生想看看他們能將這種新設計推向多遠，目標是實現超過10000秒的飛行。

他們還希望提高機器人的精度，以便能夠從花朵的中心起飛和降落。長期來看，研究人員希望在空中機器人上安裝小型電池和傳感器，這樣它們就能在實驗室外飛行和導航。

「這個新機器人平台是我們團隊的一個重大成果，並引領著許多令人興奮的方向。例如，在這個機器人上整合傳感器、電池和計算能力將是未來三到五年的重點，」陳凱文說。

本故事由麻省理工學院新聞 (web.mit.edu/newsoffice/) 轉載，這是一個涵蓋MIT研究、創新和教學新聞的熱門網站。