速度、加速度與硬件耐用性全面提升，MIT微型飛行機(jī)器人展現(xiàn)出前所未有的自然仿生能力。

微型昆蟲機(jī)器人或?qū)⒊蔀闉?zāi)區(qū)的救命工具。麻省理工學(xué)院研究人員近日展示了一款空中微型機(jī)器人，其以驚人的速度與敏捷性模仿真實(shí)昆蟲體操技巧般的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。未來，這類微型飛行器可在地震后進(jìn)入坍塌建筑，在大型機(jī)器人無法抵達(dá)的區(qū)域幫助定位幸存者。

這項(xiàng)突破標(biāo)志著微型機(jī)器人領(lǐng)域的重大進(jìn)步——此前該領(lǐng)域的飛行穩(wěn)定性與速度始終遠(yuǎn)落后于自然界的生物構(gòu)造。早期昆蟲尺寸機(jī)器人只能緩慢沿固定路徑飛行，而新型機(jī)器人徹底改變了這一局面。

這款僅微型錄音帶大小、比回形針更輕的機(jī)器，采用軟人工肌肉驅(qū)動(dòng)大尺寸撲翼高頻運(yùn)動(dòng)。升級(jí)后的硬件使其能完成急轉(zhuǎn)彎、快速加速及接近昆蟲機(jī)動(dòng)性的空中特技。但僅靠硬件還不夠，機(jī)器人需要更智能、更快速的"大腦"。

研究團(tuán)隊(duì)為此開發(fā)了基于人工智能的新型控制器，可實(shí)時(shí)解讀機(jī)器人位置與環(huán)境信息并決策運(yùn)動(dòng)方式。此前的控制系統(tǒng)需工程師手動(dòng)調(diào)試，既限制性能又難以適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)作。

MIT電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授凱文·陳闡釋道："我們希望在傳統(tǒng)四旋翼無人機(jī)難以進(jìn)入、而昆蟲卻能靈活穿梭的場(chǎng)景中使用這類機(jī)器人。"他補(bǔ)充說："如今通過仿生控制框架，機(jī)器人在速度、加速度和俯仰角等方面的飛行性能已可與昆蟲媲美，這距離目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。"

新控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)突破，陳教授的團(tuán)隊(duì)與MIT教授喬納森·豪合作開發(fā)了雙段控制策略：首先采用模型預(yù)測(cè)控制器，在考慮力與扭矩物理極限的前提下計(jì)算規(guī)劃包含翻轉(zhuǎn)和急轉(zhuǎn)彎的復(fù)雜路徑；但實(shí)時(shí)運(yùn)行該系統(tǒng)需巨大算力。為此團(tuán)隊(duì)運(yùn)用模仿學(xué)習(xí)訓(xùn)練出能近乎瞬時(shí)執(zhí)行規(guī)劃的輕量化深度學(xué)習(xí)模型。豪指出："魯棒訓(xùn)練方法是這項(xiàng)技術(shù)的核心秘訣。"

升級(jí)效果顯著：新版微型機(jī)器人飛行速度提升447%，加速度提高255%。測(cè)試中，它在11秒內(nèi)連續(xù)完成10次空翻，即使受風(fēng)力干擾仍能將軌跡誤差控制在5厘米內(nèi)。

邁向?qū)嶋H應(yīng)用

新控制器還使機(jī)器人能執(zhí)行類似昆蟲視覺穩(wěn)定機(jī)制的快速定向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該能力將為未來搭載傳感系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。陳教授表示："這種仿生飛行行為有助于未來為機(jī)器人裝載攝像頭和傳感器。"

下一步研究將增加自主導(dǎo)航系統(tǒng)，使機(jī)器人擺脫對(duì)外部運(yùn)動(dòng)追蹤的依賴。正如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授莎拉·伯格布萊特所言，該項(xiàng)目表明昆蟲級(jí)飛行機(jī)器人正以前所未有的速度逼近自然界生物的敏捷性，實(shí)驗(yàn)室外的實(shí)際應(yīng)用已不再遙遠(yuǎn)。

該研究成果已發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》期刊。

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