RoboBee昆虫尺度扑翼微型机器人

RoboBee昆虫尺度扑翼微型机器人是哈佛大学微型机器人研究团队研制的一类昆虫尺度飞行机器人。它的研究重点是：在昆虫尺度下，怎样制造轻质铰接结构、产生足够的扑翼力，并控制快速而不稳定的飞行。这里的RoboBee指哈佛的扑翼微机器人研究平台；它与NASA为国际空间站舱内研究开发的Astrobee自由飞行机器人是不同对象。

昆虫尺度的机械结构不能简单照搬大型飞机或无人机的电机、轴承和齿轮。2013年的Science论文介绍了一种“智能复合微结构”制造方法：将经激光加工的材料层叠合，使用高刚度碳纤维复合材料形成骨架，并以聚酰亚胺薄膜构成柔性铰链。这样的柔性关节适合微小机构反复摆动，也便于把平面材料折叠成三维结构。

2013年的双翼原型重约80毫克，翼展约3厘米。每片翼由一套电压驱动的压电双晶片作动器驱动。压电作动器本身的位移很小，四连杆机构把这段位移转化并放大为扑翼运动。两侧翅根各有独立作动器，主要扑动沿往复行程发生；翼根的弹性柔性铰链则让翼片在气动力、惯性力和弹性力作用下被动改变俯仰角。扑动与被动变桨共同产生支持飞行的升力。

论文所述基准扑动频率约为120赫兹，行程幅度约110度。作动器以耦合的肌肉—胸部—机翼结构的共振频率附近驱动；研究者通过改变行程幅度调节推力，而不是靠频繁改变扑动频率，以维持接近共振的运行状态。这种设计说明该平台的推进不是旋翼，而是由压电作动、柔性传动和往复机翼协同完成。

左右机翼独立驱动，使机器人可以在机体三个轴向产生控制力矩。论文描述的控制方式包括：左右行程幅度不同以产生滚转力矩，调整平均行程角以产生俯仰力矩，以及在一个扑动周期的不同半程改变翼速来产生偏航力矩。机体倾斜后，合推力方向随之改变，才能生成横向位移。

这次受控飞行仍依赖外部设备：电源和控制信号通过细导线送到机器人，外部红外运动捕捉相机根据机身反光标记估计姿态与位置，地面计算机计算控制量后再经系绳传回。论文将其概括为受系留条件下的稳定悬停和基本受控飞行，其中包括稳定悬停超过20秒和在两个横向位置间转换。因此，2013年的成果是系留供电、外部感知和外部计算下的受控飞行，不是脱离外部设施的自主飞行。该原型实测功耗约19毫瓦，作者当时估计，以现有机载电源实现的无系绳飞行只能持续几分钟，显示储能和载荷质量仍是限制。

2019年Nature论文摘要描述了另一项阶段性成果：90毫克的四翼飞行器由两只氧化铝增强压电作动器驱动；加上光伏阵列和信号发生电子设备后，完成无系绳飞行所需的集成系统重259毫克，功耗为110至120毫瓦。摘要报告了持续无系绳飞行，但Nature页面主文受订阅限制，摘要与图注可见；本文仅采用摘要明确支持的设计和系统数据，不据此推断摘要未展示的操作细节。

哈佛Wyss研究所与SEAS在2019年的机构新闻稿进一步说明，新增一对机翼、调整作动器和传动比有助于提升效率并增加升力；机上光伏阵列将光能转换为低压电信号，再由电子面板转换为驱动作动器所需的高压信号。实验室使用卤素灯模拟约三倍地球日照强度，因为新闻稿指出当时的飞行器需要约三“个太阳”的光照，室外飞行还不可行。新闻稿也明确说明，那次演示的机器人仍没有机载转向与控制。因而，“无系绳”描述的是脱离供电线后的持续飞行里程碑，不能等同于已经具备机载自主导航或户外任务能力。

RoboBee把微型制造、压电致动、非定常扑翼和快速反馈控制放在同一个实验平台上，适合研究小尺度飞行的机构与控制问题。可查到的2013年论文和2019年摘要分别对应系留受控飞行与无系绳飞行两个不同阶段；二者在供电方式、感知与控制安排上并不相同。现有材料支持把它称为研究型微机器人平台，不足以将这些实验描述成成熟的商用无人机、已具备完整自主能力的飞行系统，或群体协同应用。

• https://faculty.washington.edu/minster/files/ma_chirarattananon_fuller_wood_controlled_flight_insect_scale_robot_Science2013.pdf（Kevin Y. Ma 等：《Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot》，Science，2013；DOI：10.1126/science.1231806；作者存档全文）
• https://www.nature.com/articles/s41586-019-1322-0（Noah T. Jafferis 等：《Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle》，Nature，2019；仅依据可读摘要）
• https://wyss.harvard.edu/news/the-robobee-flies-solo/（Wyss Institute / Harvard SEAS：《The RoboBee flies solo》，2019年6月26日）
• https://www.nasa.gov/directorates/stmd/game-changing-development-program/astrobee/（NASA：Astrobee 项目说明）