新型机翼系统鸟类机器人实现自起飞和低速飞行

2021 年，一组来自中国的科学家设计了 RoboFalcon——一种受鸟类启发的扑翼机器人，具有新设计的机制，可以驱动能够飞行的蝙蝠式变形翅膀。虽然这种受生物启发的机器人在巡航速度下表现良好，但它无法在没有帮助的情况下以较低的速度飞行或起飞。

现在，同一组研究人员已经升级了他们的设计。他们的工作发表在《科学进展》上，描述了 RoboFalcon 2.0，它结合了 800 克的机身和机翼中的可重新配置机制，可在一个翼拍中耦合拍打、扫掠和折叠。这种更复杂的机翼系统使 RoboFalcon 2.0 能够在没有帮助的情况下起飞，并以较低的速度保持飞行。

大多数以前的仿生飞行机器人都依赖于模仿昆虫或蜂鸟式对称悬停的单自由度 （DOF） 机翼运动学，而不是大型鸟类和蝙蝠使用的三个自由度运动学——简单地描述为翅膀拍打、扫过和折叠。为了重现这些更复杂的机翼运动，该团队使用解耦器的组合开发了可重新配置的机制，使拍打、扫掠和折叠 （FSF） 能够在一次翼拍中发生。

“这些机制确保 RoboFalcon2.0 能够使用腹侧前拍打下冲程和收起向上冲程来产生升力和推力，即鸟式起飞。在拍打期间，还可以调整机翼后掠和折叠幅度以控制俯仰和滚动，“研究作者解释道。

该团队使用风洞实验、模拟和真实飞行测试来分析设计的性能。风洞测试和模拟表明，增加机翼后掠角可以增强升力和俯仰动量，有助于起飞和俯仰控制。作者还表示，FSF 机翼运动的起飞和俯仰控制能力已通过他们的真实飞行演示得到验证。

虽然新设计在逼真飞行机器人的工程上向前迈进了几步，克服了自主起飞的障碍，但团队相信未来可以进一步改进。他们说，需要尾部升降机才能在高速行驶时保持稳定性，并且起飞时的能源效率低于昆虫规模的机器人或真正的鸟类。他们还发现，RoboFalcon 2.0 的现实世界悬停能力因缺乏偏航控制而受到限制。

研究作者写道：“这里提出的驱动机制在机械技术范围内更大程度地模拟了飞行脊椎动物低速飞行的运动学，并通过部署适当的欠驱动策略降低了姿态控制的复杂性。这使得使用腹前下冲程和收起上冲程的机器人扑翼起飞成为可能，为受鸟类启发的机器人和鸟类运动研究提供了替代视角和方法。