激光動力機器人昆蟲實現升空

對于各種尺寸的機器人，功率是一個基本問題。任何移動的機器人都會受到電源的限制，無論是依靠攜帶重型電池，內燃機，燃料電池還是其他任何東西。隨著你的機器人變得越來越小，管理動力尤其棘手，因為它可以更直接地擴展這些東西而不是縮小 - 以及非常小的機器人(質量在數百毫克范圍內)，特別是那些需要大量功率的機器人，確實沒有一個好的解決方案。在實踐中，這意味著在小型昆蟲的規模上，機器人通常依靠系繩來獲取動力，這對于使它們長期實用是不理想的。

下周，在西雅圖華盛頓大學舉行的IEEE國際機器人與自動化會議上，來自西雅圖華盛頓大學的機器人專家將展示RoboFly，這是一種激光動力昆蟲大小的撲翼機器人，可以執行第一次(非常短暫的)不受限制的如此小規模的機器人飛行。

有許多不同的方法可以遠程為機器人提供動力，但是大多數方法都有低范圍或低效率，或者不能提供大量電力。對于一些小型機器人來說，這很好，但飛行機器人需要在相對較長的距離上傳輸大量的電力才能發揮作用。有一個明顯最好的方法，這顯然是最好的，因為它幾乎解決了科學中的每一個問題：激光

RoboFly-A的基礎上設計 RoboBee 撲翼微型機器人從哈佛大學微型機器人實驗室 -is關于大黃蜂的大小，重量僅為190毫克(比牙簽多一點)。它由紅外激光驅動，瞄準那個微小的光伏電池，可以收集機器人空降所需的250毫瓦。在視頻中，激光不跟蹤機器人，因此一旦太陽能電池移出光束，它就會斷電并且機器人停止飛行。

最終，RoboFly可以通過安裝在天花板上的激光器進行控制，無論它在哪里都能跟蹤它，甚至可以安裝在移動車輛(或其他機器人)上的激光器，這些激光器可以跟隨RoboFly并無限期地為其提供動力

雖然提供動力是挑戰的重要組成部分，但開發將這種動力轉化為飛行所必需的電子設備是華盛頓大學集團最初關注的焦點，其中包括 Johannes James，Vikram Iyer，Yogesh Chukewad，Shyamnath Gollakota和Sawyer B富勒。機翼由兩個壓電致動器驅動，這需要大約250伏特以最大化功率密度。光伏電池僅輸出7 V，因此研究人員必須定制設計一個升壓轉換器來驅動機翼，并添加一個微控制器來控制它們。他們設法將這兩種東西塞進一個重量不到100毫克的電子產品包中，使機器人能夠完全不受限制地運行。

觀看視頻很有吸引力，就像“呃，就是這樣嗎?”但請注意，機器人實現更長時間飛行所需要的主要事情是激光器跟蹤光伏電池，以便它可以持續提供電力，這是其他研究人員在取得一些成功之前所做的一個問題。UW團隊已經能夠在室內1.23米的范圍內為機器人供電，并且使用更高輸出的激光器(或者可以更好地聚焦的激光器)，他們預計不應該有幾十米的范圍。很大的問題。最終，RoboFly可以通過安裝在天花板上的激光器進行控制，無論它在哪里都能跟蹤它，甚至是安裝在移動車輛(或其他機器人)上的激光器，它們可以跟隨RoboFly并無限期地為其提供動力。

包括哪些RoboFly可能被用于，我們與威斯康星大學教授談到 索耶B.富勒，誰 指揮自治昆蟲機器人實驗室， 和希亞姆Gollakota，誰領導的網絡和移動系統實驗室，通過電子郵件。

IEEE Spectrum：開發能夠在這種規模上有效運行的電子產品面臨哪些挑戰，您是如何接近它們的?

Sawyer B. Fuller：電子組件的重量小于牙簽，并產生正弦信號。它還集成了第一個像這樣的蜜蜂機器人飛行的微控制器。面臨的挑戰是提出一種快速構建和迭代超輕電路的方法，并將其與高效的電力傳輸系統集成，并在非常高(> 200)的電壓下進行。

您是否認為由遠程激光源驅動的這種規模的飛行在受控環境之外是否可行?你能想象什么應用?

Shyam Gollakota：許多應用，例如在農場和尋找油管泄漏，我們很可能仍然會有視線。因此，基于激光的昆蟲供電是有用的。您可能遇到的另一個問題是安全問題，在過去的幾個月里，我們確實設計了一種方法，可以為手機等消費電子產品實現高功率(2 W)的安全傳輸。

富勒：通過切割電線并采用板載升壓轉換器，我們還為其他來源(如太陽能或能量收集Wi-Fi或蜂窩信號)為這些機器人供電奠定了基礎。

您是否認為無線電源傳輸對于這樣的系統是必要的，或者您認為能量存儲可能會改善到這些機器人能夠為自己供電的程度嗎?

Gollakota：當前電池技術的問題在于它們的重量(相對)，因此僅使用電池就很難在沒有充電的情況下進行持續飛行。我們設想我們的太陽能電池可以直接從太陽收獲，并創造一個可以跳來跳去的昆蟲級機器人。因此，我們在此設計中引入的單元原則上將使機器人能夠獲得動力。人們還可以添加超級電容器來存儲一些能量。

富勒：最終，我們將它們視為使用儲存能源和外部能源的組合。也就是說，我們想要加入電池，但這需要一個非常小且高耗電的特殊電池，這在市場上是不可用的。

最近有一些來自Energous和Ossia等公司的無線電力傳輸商業演示。有關如何應用于昆蟲級飛行機器人的任何想法?

Gollakota： Energous和Ossia使用RF信號(我們相信2.4千兆赫茲，5 GHz及更低)為設備供電。與激光相比，使用RF進行功率傳輸的挑戰是效率。由于RF信號本質上是廣播的，因此它們隨距離顯著衰減(在理想情況下為1 / r ^ 2，在實際情況下為1 / r ^ 3)。因此，為了在10米的距離處提供100mW，發射功率高出幾個數量級。相反，由于激光信號被聚焦，因此它們沒有類似的衰減。此外，雖然可以通過使用多個天線使RF信號成為定向的，但是為了獲得2.4GHz的波束狀行為需要數百個天線，這非常困難，尺寸大并且在實踐中實現昂貴。

富勒：我認為探索使用他們的技術潛在地為昆蟲級機器人提供動力真的很棒 - 但是如Shyam建議的那樣，它必須在很短的范圍內。我們的機器人使用很少，為大型無人機開辟了許多潛在的動力源，這些動力源的密度可能太微小或太危險。

你接下來要做什么，以及如何延長飛行時間/高度并使這樣的機器人可控制?

富勒：我們的下一步是在機器人飛行時將激光引導到機器人，這樣它可以無限期地懸停或飛行更長的距離。激光束已經在高達一米的范圍內進行了演示，但我們認為它可以輕松地走得更遠。