借助磁铁，世界最小的飞行机器人翱翔天际

Adam Lau

据悉，一种新的原型机正在宣称自己是最小、最轻的无系绳飞行机器人。

这种机器人的翼展不到一厘米，目前其能够远离驱动其飞行的磁场的飞行距离非常有限（https://spectrum.ieee.org/charging-rooms-can-power-devices-without-wires）。不过，开发它的科学家表示，有一些方法可以增加其飞行范围，这可能会带来一些潜在的应用，比如搜索与救援行动、检查工业环境中的受损机械，甚至是植物授粉。

缩小飞行机器人尺寸的一种策略是去掉它们的电池，使用系绳为其供电。然而，系绳飞行机器人在复杂环境中自由运行时面临诸多问题。这促使一些研究人员去探索为机器人飞行无线供电的方法。

“我们的梦想是制造出无需使用电线作为电源就能随时随地飞行的飞行机器人，”加州大学伯克利分校机械工程学教授Liwei Lin说道。Liwei Lin和他的研究伙伴们在《科学进展》（Science Advances）杂志上详细阐述了他们的研究成果（https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6858）。

3D打印飞行机器人设计

每个飞行机器人都有一个3D打印的机身，机身包含一个带有四个叶片的螺旋桨。这个旋翼被一个圆环环绕，该圆环有助于机器人在飞行过程中保持平衡。每个机身顶部有两块微小的永磁体。

总之，这种昆虫大小的原型机翼展小至9.4毫米，重量仅为21毫克。此前，有报道的最小的飞行机器人（无论是有系绳的还是无系绳的）宽28毫米（https://ieeexplore.ieee.org/document/7989378）。

当暴露于外部交变磁场中时，这些机器人能够无系绳地旋转和飞行。维持飞行所需的最低磁场强度为3.1毫特斯拉。（相比之下，一块冰箱磁铁的强度约为10毫特斯拉，https://nationalmaglab.org/about-the-maglab/around-the-lab/maglab-dictionary/tesla/。）

当所施加的磁场以310赫兹的频率交替变化时，这些机器人能够悬停。在340赫兹时，它们向上加速。研究人员可以通过调整所施加的磁场来横向操控这些机器人。只要碰撞不太剧烈，这些机器人在碰撞后还能自行扶正以保持在空中飞行，而无需复杂的传感或控制电子设备。

实验表明，这些机器人产生的升力能够比其自身重量超出14%，这有助于它们携带有效载荷。例如，一个宽20.5毫米、重162.4毫克的原型机能够携带一个重110毫克的红外传感器来扫描周围环境。事实证明，这些机器人在将接收到的能量转化为升力方面效率很高——几乎优于所有其他有报道的飞行机器人（无论是有系绳的还是无系绳的），也优于果蝇和蜂鸟。

目前，这些原型机的最大工作范围是距离磁线圈约10厘米。Liwei Lin指出，一种扩大这些机器人工作范围的方法是，通过增加更多线圈、优化这些线圈的配置以及使用波束成形线圈，将它们所受的磁场强度提高10倍。这样的改进可使机器人能够在距离磁线圈达1米的范围内飞行（https://ieeexplore.ieee.org/document/7472415）。

科学家们还可以进一步缩小机器人的尺寸。这将使它们更轻，从而降低其推进所需的磁场强度。Liwei Lin说：“利用诸如无线电或手机传输信号中的电磁波来驱动微型飞行机器人是有可能的。”研究人员补充提到，未来的研究还可以在机器人上安装能够将磁能转化为电能的装置，为电子元件供电。