空中昆蟲憑借急轉(zhuǎn)彎、急剎車和空中翻轉(zhuǎn)等精準(zhǔn)動作，成為地球上最靈活的生物。長期以來，工程師致力于讓同尺寸飛行機(jī)器人或無人機(jī)具備類似敏捷性。如今，美國麻省理工學(xué)院（MIT）科學(xué)家在這一領(lǐng)域取得重要突破，其研發(fā)的微型有翼機(jī)器人在速度與特技表現(xiàn)上超越所有前代機(jī)型，敏捷度已逼近真實(shí)昆蟲。12月3日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》期刊。

美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)里諾分校航空航天工程師Hoang-Vu Phan評價(jià)，這款新設(shè)備是“微型機(jī)器人性能的巨大飛躍”，讓該領(lǐng)域更接近能執(zhí)行現(xiàn)實(shí)任務(wù)的自主昆蟲尺寸飛行機(jī)器人。

盡管無人機(jī)等飛行器日益精密，但縮小至昆蟲大小面臨諸多挑戰(zhàn)。論文作者、MIT工程物理學(xué)家陳宇峰指出，所有部件需從零設(shè)計(jì)：微型電機(jī)效率隨尺寸縮小而降低，微弱氣流擾動會對撲翼和纖細(xì)關(guān)節(jié)造成負(fù)擔(dān)，且合成材料難以匹配昆蟲身體的韌性，導(dǎo)致微型機(jī)器人耐用性不足。

陳宇峰團(tuán)隊(duì)此前已攻克多項(xiàng)硬件難題，研制出重量僅750毫克、單次續(xù)航1000秒的耐用飛行器，但控制器成為新難題。為實(shí)現(xiàn)空中加速、轉(zhuǎn)向和翻轉(zhuǎn)，微型機(jī)器人需持續(xù)適應(yīng)氣流與摩擦力變化，這要求控制器具備處理不確定性的高效能力。

論文作者、MIT天體物理學(xué)家兼航空工程師Jonathan How通過管狀模型預(yù)測控制器（MPC）解決了這一問題。該控制器在機(jī)器人中心軌跡周圍設(shè)置管狀緩沖區(qū)，可避免因干擾撞到危險(xiǎn)區(qū)域，其核心技術(shù)是融入模擬果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能快速規(guī)劃最優(yōu)路徑，讓機(jī)器人以“非自毀方式”完成空中旋轉(zhuǎn)。

最終研發(fā)的機(jī)器人直徑僅4厘米，重量輕于回形針，飛行速度接近現(xiàn)有微型機(jī)器人的5倍，加速能力提升兩倍，可在每秒160厘米的陣風(fēng)下急轉(zhuǎn)彎，11秒內(nèi)連續(xù)完成10次空翻，展現(xiàn)出此前僅在真實(shí)昆蟲身上可見的速度、敏捷性和魯棒性。

不過，該機(jī)器人仍存在局限。加拿大多倫多大學(xué)機(jī)器人學(xué)家Pakpong Chirarattananon指出，最突出的問題是連接線束的束縛——昆蟲尺寸電池續(xù)航不足，設(shè)備需連接外部電源，限制了活動范圍。此外，團(tuán)隊(duì)還希望設(shè)計(jì)可安裝在機(jī)器人上的小型攝像頭和傳感器，以提升其在搜索救援任務(wù)中的應(yīng)用價(jià)值，例如地震后的裂縫探測。對于輔助授粉任務(wù)，How認(rèn)為當(dāng)前技術(shù)水平尚無法實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人安全降落在嬌嫩花朵上。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aea8716

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