美国科学家研发蝙蝠机器人：完全自主飞行，可用于救灾勘探

师法自然，是机器人研发重要途径之一。人类目前已经有模仿夜猴跳跃能力的“跑酷”机器人，有模仿章鱼的软体机器人等等。现在，这一大家族可以加入一个新成员——蝙蝠机器人。

当地时间2月3日，最新一期《Science Robotics》（《科学·机器人学》）的封面文章介绍了一款模仿蝙蝠飞行的机器人——蝙蝠机器人（Bat Bot B2）。来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和加州理工学院的研究员Alireza Ramezani、Soon-Jo Chung以及Seth Hutchinson，在过去的几年里，一直在研发这款蝙蝠机器人。

图1：蝙蝠的功能群（functional groups）。图中列举了蝙蝠的关节角度和功能群组；利用这些功能群可以对蝙蝠飞行时四肢的复杂运动进行分类，以及提取主要的DOF并将它们结合到B2的飞行动力学中。所选择的DOF通过一系列的机械约束和虚拟约束进行耦合。以下图片翻译均来自新智元。

“蝙蝠的飞行能力是空中机器人梦寐以求的。它们能执行复杂的飞行技能，比如颠倒栖息和快速转弯。蝙蝠还有非常复杂的机翼运动，有超过40个关节和非常薄的膜翅膀。”加州理工学院教授Soon-Jo Chung说。

蝙蝠是哺乳动物中唯一能用翅膀自主飞行的动物，飞行动作优雅且高效，还能做到中途悬停。相比鸟类，蝙蝠可以说是自然界进化的奇迹。每个支撑翅膀的骨头实际上都是超长的足趾，并由一层薄膜覆盖。这样的特征给了蝙蝠一些鸟类不具有的天赋，让它在飞行中，具有难以置信的机动性，可用翅膀拦截昆虫。

蝙蝠另外一个令人羡慕的能力是夜视能力。在黑夜里，无论怎么飞，从来没见过它跟什么东西相撞，即使一根极细的电线，它也能灵巧地避开，还能捕捉飞蛾和蚊子。原因是它的飞行不靠眼睛，而是耳朵。蝙蝠在飞行中可以一边飞，一边从嘴里发出一种声音。这种声音叫做超声波，人的耳朵是听不见的，蝙蝠的耳朵却能听见。超声波像波浪一样向前推进，遇到障碍物就反射回来，传到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠就立刻改变飞行的方向。飞机上的雷达就是模仿蝙蝠的这种探路方式产生的。

如果人类能设计出模仿蝙蝠飞行的机器人，这意味着可以在没有GPS的状况下，在有金属和钢筋的黑暗环境中进行飞行。这对于地震等自然灾害的救援将起到关键作用。

图2：Bat Bot.（A）B2是独立的且能够自我维持；它有一个机载计算机和几个传感器使其在环境中实现自主导航。（B）动态模量分析。（C）定制硅基薄膜和嵌入式碳纤维。

根据发表在《Science Robotics》的论文，蝙蝠机器人与远程控制飞行的机器人不同，完全是自主飞行。它由硅胶翼，3D打印接头和碳纤维“骨头”构成。

工程师们希望这种高度灵活机动的机器人能够替代四旋翼无人机成为人类的好帮手。首先，相比四旋无人机，蝙蝠机器人不使用高速转动的机翼或发出任何其他响亮的声音，所以它相对不会引人注目。其次，它的机翼可以变成任何形状以在建筑勘测中避开横梁，且能自主飞行，因此可以在危险区域更高效地进行侦查，帮助救灾。

图3：B2飞行机制和电子结构概述。（A）B2的飞行机制和它的DOFs。（B）臂翼只保持一个致动运动，该动作是由位于肩部的主轴机制产生的推拉运动。（C）腿部机制。（D）B2的电子结构。

三位研究员并没有完全模仿蝙蝠的翅膀构造去设计机器人，因为这样生产出来的机器人可能会很重，飞行也会很困难。他们在设计时，只“识别”了蝙蝠的五个自由度：肩部、肘关节、手腕弯曲、腿和尾巴的运动。尽管如此，理论上来讲，这款蝙蝠机器人可以复制超过57%的蝙蝠飞行动作。蝙蝠机器人的体积与埃及果蝠相近，翼展长达47厘米。

根据Soon-Jo Chung的介绍，为了实现蝙蝠机器人的自主飞行，它采用机载的定制电子部件，导航和控制算法在主控板上实时运行，而处理传感器数据和控制制动器用的是单独的数据采集器。传感器包含一个惯性测量装置(IMU)和五个位于肘部、臀部和翅膀关节处的磁编码器。

图4：无障碍飞行和控制器结构。（A）零路径（zero-path）直航的快照。（B）俯冲快照。（C）主控制器由独立控制器C1和变形控制器C2组成。

值得一提的是，蝙蝠机器人的机翼，它由柔性硅胶膜制成，只有56微米厚。此外，研究人员使用了闭环控制系统——这样就可以通过调节蝙蝠机器人的自由度让翼面变形，从而使得机器人完成各种动作。

目前，蝙蝠机器人可以完成平稳飞行、巡航（直线飞行的同时以高至10赫兹的速率拍动翅膀）、倾斜飞行、急速俯冲这些动作。

“我们并不是想让未来所有的无人机看起来像一只蝙蝠或像蝙蝠一样飞行。严格的模仿不是目标。作为航空航天机器人工程师，我想从生物系统学习，以改进当前的技术和设计的小型空中无人机。例如，我们可以使用蝙蝠的机翼变形机制，使用独立的机翼折叠和腿部运动来提出更好的飞行方式，控制未来的飞机。”Soon-Jo Chung说。

研究人员在论文中称，他们接下去想要让蝙蝠机器人学会倒挂着栖息。当然，挑战也随之而来，如何延长电池寿命和开发更强的电子元件，以让机器人能够承受轻微的冲撞。这成为研究人员当下需要解决的问题之一。