近日，一組國際研究團隊開發(fā)了一種基于昆蟲導航策略的自主導航系統(tǒng)，用于微型輕量級機器人。這一創(chuàng)新不僅在微型機器人領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，也為未來在搜索與救援、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等多個領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

研究背景

昆蟲在導航和運動方面表現(xiàn)出色，盡管它們的大腦相對簡單，卻能夠在復雜環(huán)境中高效地完成各種任務(wù)。受此啟發(fā)，研究人員希望通過模仿昆蟲的導航策略，解決微型機器人在復雜環(huán)境中自主導航的難題。南方科技大學（SUSTech）的王宏強教授團隊，借鑒昆蟲肌肉的結(jié)構(gòu)和功能，開發(fā)了新型電動致動器，實現(xiàn)了微型機器人的靈活運動和高精度操控。

關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

這項研究的核心在于利用電動致動器替代傳統(tǒng)的電磁致動器。電動致動器通過電極間的靜電力來移動薄膜，模擬昆蟲肌肉的運動方式。這種致動器不僅輕便且功率強大，還具備高度的可控性和可擴展性。研究人員成功地在毫米級別上實現(xiàn)了這種致動器的應(yīng)用，使其能夠在微型爬行機器人中發(fā)揮作用 。

為了驗證這一技術(shù)，研究團隊制作了幾種微型機器人原型，包括模仿蚯蚓運動的微型爬行機器人和模仿腸道蠕動的微型醫(yī)療機器人。這些機器人在狹窄空間中的靈活性和耐久性使其能夠在災(zāi)后搜救和醫(yī)療檢查中發(fā)揮重要作用。例如，微型爬行機器人可以在建筑物倒塌后狹窄的管道中移動，獲取救援現(xiàn)場的圖像信息，而微型醫(yī)療機器人則可以在體內(nèi)執(zhí)行微創(chuàng)手術(shù)。

實驗與應(yīng)用

在實驗中，這些微型機器人展示了強大的性能。例如，華盛頓州立大學（WSU）的研究團隊開發(fā)的機器人采用形狀記憶合金（shape memory alloys）作為致動器，這些合金線僅有1/1000英寸粗細。當通電后，合金線能夠迅速加熱和冷卻，使機器人每秒鐘可以拍打翅膀或移動足部高達40次。在測試中，這種致動器能夠提升自身重量的150倍以上。

此外，利物浦大學的研究團隊開發(fā)了一種“蟲群算法”，用于微型飛行機器人群體的自主導航。實驗中，研究人員將帶有攝像頭的30克商用無人機送入室內(nèi)環(huán)境模擬災(zāi)后搜救情景。在短短六分鐘內(nèi)，一群六架無人機探索了80%的開放區(qū)域，并成功找到模擬受害者的位置。該算法通過無線通信芯片實現(xiàn)機器人之間的信號強度傳遞，使其在環(huán)境中有效避障并導航。

未來展望

這種基于昆蟲啟發(fā)的自主導航策略為微型機器人的未來應(yīng)用打開了新局面。研究人員表示，進一步改進材料、設(shè)計和控制方法，可以使電動致動器在性能上趕超傳統(tǒng)的電磁致動器。這些改進將使微型機器人在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效應(yīng)用，包括農(nóng)業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學工程。

昆蟲啟發(fā)的導航策略不僅為微型機器人的設(shè)計提供了新的思路，也為解決當前機器人技術(shù)中的一些關(guān)鍵難題提供了潛在的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進步和多學科的協(xié)作，這些微型機器人將在未來發(fā)揮越來越重要的作用，為各種復雜任務(wù)提供高效且靈活的解決方案。