中国科学家成功打造最小、最轻的微型太阳能无人机

NATURE

中国科学家成功打造了最小、最轻的太阳能飞行器。它足够小到可以放在人的手掌里，重量不到一枚美国镍币，在阳光照射下可以无限期飞行。

微型飞行器（MAV）是昆虫和鸟类大小的飞机，可能被证明对侦察和其他可能的应用有用。然而，MAV目前面临的一个主要问题是它们的飞行时间有限，通常约为30分钟。超轻型MAV——重量小于10克的MAV——通常只能在空中停留不到10分钟。

让MAV飞行更长时间的一种潜在方法是用阳光等稳定的能源为它们供电。现在，在一项新的研究中，研究人员开发了他们所说的第一架能够持续飞行的太阳能MAV。

新型超轻型MAV CoulombFly只有4.21克，翼展为20厘米。这大约是以前最小的太阳能飞行器的十分之一大小，重量更是只有前者的1/600，这是一架2米宽、2.6公斤重的四轴飞行器（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pip.3169）。

北京航空航天大学能源与动力工程教授Mingjing Qi说：“我的最终目标是制造一种翼展不到1厘米、大小和重量与蚊子差不多的超小型飞行器。” Qi和建造CoulombFly的科学家开发了这种飞行器的原型，其宽度为8毫米，质量为9毫克，“但它还不能依靠自身动力飞行。我相信，随着微电路技术的不断发展，我们可以实现这一目标” 。

以前的太阳能飞行器通常依赖于电磁电机，使用电磁铁来产生运动（https://spectrum.ieee.org/200-years-ago-faraday-invented-the-electric-motor）。然而，太阳能飞行器越小，它收集阳光的表面积就越小，从而也就减少了它可以产生的能量。此外，随着车辆尺寸的缩小，电磁电机的效率急剧下降。较小的电磁电机比较大的电机具有更大的摩擦，并且由于其组件的电阻而产生更大的能量损失。Qi和他的同事解释说，这导致了低升程功率效率。

CoulombFly采用静电电机，利用静电场产生运动。静电电机通常用作微机电系统（MEMS，https://spectrum.ieee.org/nano-machine-shape-shifting）中的传感器，而不是用于航空推进。尽管如此，科学家们使用的静电电机质量仅为1.52克，其功率效率是其他MAV电机的两到三倍。

静电电机外围有两个嵌套的环。内环是一个旋转的转子，有64个板条，每个板条由覆盖铝箔的碳纤维板制成。外环装有八对交替的正极板和负极板，每个板条也由粘合到铝箔的碳纤维板制成。每个板的边缘都有一个铝制的刷子，可以接触内环的板条。

CoulombFly静电马达上方是与转子相连的20厘米宽的螺旋桨，马达下方是两块高功率密度的薄膜砷化镓太阳能电池，每块电池尺寸为4厘米×6厘米，质量为0.48克，能量转换效率超过30%。

自然光给CoulombFly的外环充电，其16个正/负极板产生电场。外环极板上的电刷接触内环，给转子板条充电。外环极板的电场对带电的转子板条施加力，使内环和螺旋桨旋转。

在自然阳光条件下的测试中（光照强度约为每平方米920瓦），CoulombFly在一秒钟内成功起飞，并持续飞行一小时，性能没有任何下降。研究人员表示，太阳能MAV的潜在应用可能包括长距离和长时间的空中侦察。

CoulombFly的推进系统可以产生高达5.8克的升力。Qi说，“这意味着除了自重4.21之外，它还可以支持大约1.59 g的额外有效载荷，这足以容纳最小的可用传感器、控制器、摄像头等，以支持未来的自主操作。目前，在发动机、螺旋桨和电路等方面仍有很大的改进空间，因此我们认为未来我们可以获得高达4克的额外有效载荷。如果我们需要更多的有效载荷，我们可以改用四轴飞行器或固定翼设计，最多可以携带30克。”

Qi教授介绍，该飞行器还可以携带一个微型锂离子电池。这意味着它可以储存太阳能电池板的能量，即使在没有太阳光的情况下也能飞行，从而实现24小时运行。北航研究团队表示，他们的最终目标是制造一种超小型飞行器，其大小和重量与蚊子差不多，翼展不到 1 厘米。

科学家们在7月17日的《自然》杂志上在线详细介绍了他们的发现（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07609-4）。

这篇文章将发布在2024年9月的印刷版上，标题为“Tiny Solar-Powered Drone Flies Forever”。