与实物大小一样的机器飞虫已在美国哈佛大学正式启航。这种机器飞虫只有60克重,翼展3厘米,所有的飞行动作均模拟实物。此项发明的后续研究工作仍在继续,发明者声称这种小飞虫将来可以用于侦察,或用来探测有害化学物质。

哈佛大学工程应用学院的教授罗伯特·伍德(Robert Wood)是机器飞虫研制项目的负责人,他说:“大自然创造了世界上最棒的飞行物。”

机器飞虫研究项目是由美国国防高级项目研究署资助的,该机构希望这项研究能够最终发明战地、城市环境中的秘密监控机器人。身形小、貌似飞虫这两个特点对于完成这项任务十分重要。伍德教授说:“如果一只小飞虫在室内出现,你可能不会在意,但是如果是只老鹰,你一定会发现的。”

然而,在一个几乎与真实昆虫大小一样的机器人身上成功的模拟出飞虫的飞行动作是一件十分困难的事情,因为现有的制造过程无法制造出所需的轻而牢固的零部件。用于大型机器人的发动机、轴、接头根本无法用于飞虫这样大小的机器人上。伍德说:“简单地将现有的制造工艺按比例缩小无法达到我们的要求。”

一些十分微小的零件可以通过制造微型机电系统的方法来制造。但是这种制造方法需要时间较长,而且费用也高。伍德和他在加利福尼亚伯克利大学工作的同事需要的是一种既便宜又快速的制造过程,这样他们才能很方便地反复验证不同的设计。

最终,研究组发明了一套自己的生产工艺流程。研究者通过激光显微加工工艺将碳化纤维薄片切割成二维样型,精度可以达几微米。聚合物薄片也用同样的工艺切割。通过仔细的排布碳化纤维薄片和聚合物薄片,研究者就能够制造出各种功能零件。

例如,制作一个关节,研究者首先摆放两小片碳化合物,中间留有间隙。然后将一张聚合物薄片垂直放在两个碳片中间,就像被两个短腿支撑的桌面一样。再把两片新的碳化纤维放在聚合物薄片的两端,作为最上层。待各片结合后,就会形成一个类似字母H的零件,中心处很灵活而两边却很坚硬。

通过将无数小的碳聚合片组装在一起,研究者就能够生产出十分复杂的零件,这些零件可以满足弯曲、精确旋转等要求。为了能够制造出相应电信号的零部件,研究者还将使用电活性高聚物,这种材料能够在电压的作用下发生变形。

经过了7年多飞行动力学的研究和零部件的改进,伍德的机器飞虫终于在今年春天起飞了。“当机器飞虫成功地起飞时,我在实验室高兴的又蹦又跳。”伍德这样描述自己当时的心情。

其实早些时候其他研究者已经成功的制造出了微型机器昆虫,但是这却是第一只双翼机器人,是通过模拟真实飞虫的起飞动作成功起飞的。这种飞行的动力学原理非常复杂。伍德的博士导师——加利福尼亚伯克利大学的菲尔茵(Fearing)教授多年致力于这项研究。菲尔茵也正在研制自己的机器昆虫,他说:“伍德研制的机器昆虫成功飞行给我留下了非常深刻的印象,这是一项重大的突破。”但是菲尔茵说通过模拟真实昆虫飞行原理的机器昆虫还会遇到很多的难题和挑战,实现成功的飞行只能说是踏出了迈向成功第一步。

菲尔茵教授研制的机器昆虫示意图

目前,伍德的机器飞虫只能局限于直飞和向上飞。研究人员正在致力于研制一种飞行控制器来实现机器昆虫在各个方向上的飞行。同时,研究人员还在研究这种机器昆虫的自携式电源(目前是外部供电)。伍德说按比例缩小的锂电池只能供这只机器昆虫飞行不到5分钟。

小而轻的传感器也是必不可少的一部分。例如,可以通过安装化学感应器探测危险区域的有毒物质,这样人员在进入该区域前就可以采取适当的防护措施。伍德和他的同事还需开发软件控制系统,便于机器昆虫能够避开障碍物。

尽管如此,伍德仍为实现了他的机器飞虫的飞行而感到骄傲,因为这是该系统工程的一个重要里程碑。他说:“这是一件非常重大的事情,许多人都不看好它,认为它肯定飞不起来。”