前沿 ｜ 受瓢虫翅膀启发的飞行机器人：不会“翻车”的无人机

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当生活把你击倒时，你必须站起来 —— 瓢虫从最字面的意义上为大家诠释了这句话的含义。当瓢虫“四脚朝天”的时候，瓢虫会通过鞘翅（称为elytra）在极短的时间内（零点几秒）来稳定自己的身体，然后伸出腿或后翅，通过俯身实现自我扶正。

受此启发，近日研究人员研发了一架搭载人造鞘翅（artificial elytra）的新型无人机。仿真和实验表明，人造鞘翅不仅可以帮助固定翼无人机从危险位置打捞出来，而且还可以改善飞行器在飞行过程中的空气动力学性能。该研究成果发表在7月9日的《IEEE机器人技术与自动化快报》上。

Charalampos Vourtsis是瑞士洛桑联邦理工学院智能系统实验室的博士助理，他共同创造了这一新设计。他指出，“包括瓢虫在内的甲虫已经存在了数千万年。”在这段研究时间里，他们开发了几种生存机制，我们发现了瓢虫翅膀是现代机器人应用的灵感来源，”他说。

他的团队对甲虫的鞘翅特别感兴趣，对瓢虫来说，鞘翅是瓢虫的黑红色斑点外翅。在鞘翅下面是后翅，一种半透明的附属物，实际上用于飞行。

当被卡在背上时，瓢虫用它们的鞘翅来稳定自己，然后推动它们的腿或后翅，以便俯仰并自行右转。Vourtsis的团队设计的微型飞行器（Micro Aerial Vehicles，MAV）使用了类似的技术，但带有执行器以提供自扶正力。“与昆虫类似，人工鞘翅虫的特点是自由度，如果车辆翻转或倒置，它们可以重新定位车辆，”Vourtsis解释道。

研究人员测试了不同长度和不同弧度的人造鞘翅，来寻找与固定翼无人机的最佳组合。人造鞘翅的弧度角度对无人机的自动扶正功能几乎没有影响，但人造鞘翅的长度将会影响扶正效果。实验发现，较长的鞘翅可以帮助无人机更快地完成自动扶正。

该项研究还对无人机的飞行环境进行了实验。在平坦坚硬的表面上，较短的鞘翅长度产生了不同的结果。然而，长度越长，成功率越高。然后，在10°、20°和30的不同坡度和不同方向上对较长的鞘翅进行测试。研究人员发现无人机基本上在任何倾斜角度的地面上都可以通过鞘翅完成自我扶正。

该设计也在七种不同的地形上进行了测试：路面、粗砂、细砂、岩石、贝壳、木屑和草地。除草地和细沙外，无人机在其他场景中完成自我纠正的成功率达到百分百。Vourtsis指出，目前的设计是由广泛可用的材料和甲虫鞘翅的简单比例模型制成的，但进一步优化可能有助于无人机在这些更困难的地形上自行调整。

他们还发现，鞘翅在飞行过程中可以通过升力抵消了它们自身的重量，从而节约飞行器的能源。

Vourtsis说，他们还希望从甲虫鞘翅的其他特征中获得一些设计灵感。Vourtsis解释说：“我们希望无人机在一些有灌木、石头或其他障碍物的地方飞行时可以将人造鞘翅折叠起来，就像甲虫一样。这将使无人机能够展开大翅膀长距离飞行，并在狭窄空间内以紧凑的形式安全着陆和移动。”

来源：IEEE电气电子工程师