在仿生機器人領域，昆蟲尺度飛行器的研發一直面臨著能源供給、推進效率與姿態穩定性之間的棘手矛盾。傳統方案采用線纜供電，雖然能夠繞過機載電池帶來的重量限制，但卻大大犧牲了運動自由度，限制了飛行器的靈活應用。而光能、風能等無線供能方式，雖然在一定程度上實現了無纜化，卻又因為環境依賴性強、控制精度低等問題而難以廣泛應用。值得注意的是，磁驅動技術因其快速響應、穿透性強、可控性高等獨特優勢，在微型游泳機器人和爬行機器人中已經得到了成功驗證。然而，這一技術在空中飛行領域的應用卻長期處于空白狀態。

近日加州大學伯克利分校的研發人員設計出了一種新型可控無線飛行機器人。它的設計靈感來源于大黃蜂，能夠在空中盤旋、調整飛行軌跡，并且具備一定的目標擊中能力。這款機器人非常小巧，直徑不足1厘米，重量也僅有21毫克，是目前世界上最小的可控無線飛行機器人之一。目前該研究成果已在《Sci. Adv.》子刊發表。

▍機器人設計與操作原理

機器人的主體結構由四個螺旋槳葉片和一個平衡環組成，整個結構通過高精度的三維打印技術制造而成。螺旋槳葉片的設計是機器人能否產生足夠升力的關鍵。研究團隊通過大量的實驗和數值模擬，優化了葉片的幾何形狀和尺寸，以在低雷諾數條件下實現最佳的氣動性能。同時，葉片的材料選擇也經過了精心考慮，以確保其既具有足夠的強度以承受高速旋轉時的離心力，又足夠輕便以減小機器人的整體重量。

無繩亞厘米級飛行機器人的工作原理

平衡環的設計是機器人實現穩定飛行的另一重要因素。它位于螺旋槳葉片的中心，通過增加機器人旋轉時的慣性矩，在高頻旋轉條件下產生強烈的陀螺效應。這種陀螺效應有助于抵抗外部擾動，保持機器人的飛行姿態穩定。平衡環的材料和尺寸也經過了精心計算和設計，以確保其既能提供足夠的穩定性，又不會過分增加機器人的重量。

螺旋槳葉片的幾何設計

兩個微小的永磁體被固定在機器人的主體結構上，它們的磁矩方向與外部磁場方向保持一致，以最小化磁能。這兩個永磁體是機器人實現單軸交變磁場驅動的關鍵。當外部磁場發生變化時，永磁體會受到磁力矩的作用而發生旋轉。這個旋轉運動通過螺旋槳葉片轉化為升力，使機器人能夠在空中飛行。

永磁體的選擇至關重要。它們需要具有足夠的磁能積以產生足夠的磁力矩，同時又要足夠輕便以減小機器人的整體重量。研究團隊經過多次篩選和測試，最終選擇了高性能的釹鐵硼永磁體，其直徑為1毫米，厚度為0.5毫米，每個永磁體的質量為3.15毫克。

無動力紅外傳感系統

機器人的驅動機制基于單軸交變磁場。外部磁場發生器產生一個交變的磁場，其頻率和強度可以精確控制。當這個交變磁場作用于機器人上的永磁體時，會產生一個周期性變化的磁力矩。這個磁力矩驅動永磁體旋轉，進而帶動螺旋槳葉片旋轉產生升力。

為了實現穩定的飛行，研究團隊對外部磁場的頻率和強度進行了精確的計算和優化。他們發現，當外部磁場的頻率與機器人螺旋槳葉片的自然頻率相匹配時，會產生共振效應，從而顯著提高升力效率。同時，通過調整外部磁場的強度，可以控制機器人的飛行速度和高度。

值得注意的是，由于機器人內部存在空氣阻力和慣性力等非線性因素，其運動狀態并不是完全由外部磁場決定的。因此，研究團隊還開發了先進的控制算法，通過實時監測機器人的飛行狀態并調整外部磁場的參數，實現對其運動的精確控制。

在微型飛行器的設計中，飛行穩定性是一個至關重要的問題。傳統的飛行穩定控制方法往往依賴于復雜的傳感器和控制系統，這會增加機器人的重量和成本。本研究通過創新的陀螺穩定設計，實現了一種無需復雜傳感器的飛行穩定性控制方法。

通過施加液滴脈沖擾動進行穩定性測試

如前所述，平衡環的設計增加了機器人旋轉時的慣性矩，從而在高頻旋轉條件下產生強烈的陀螺效應。這個陀螺效應有助于抵抗外部擾動，保持機器人的飛行姿態穩定。此外，研究團隊還通過優化螺旋槳葉片的形狀和尺寸，使其產生的不對稱氣流能夠對機器人的飛行姿態產生微調作用，進一步提高了飛行穩定性。

▍實驗結果與分析

在實驗測試中，研究人員發現該機器人能夠自動調整其滯后角（即永磁體旋轉角度與外部磁場變化之間的相位差）以適應不同強度的磁場變化。這種自適應能力簡化了飛行操作，使機器人能夠在不同條件下保持穩定的飛行狀態。

實驗裝置一覽

通過光學裝置和高速相機，研究人員測量了機器人在不同頻率和強度磁場下的角速度和滯后角。實驗結果表明，隨著驅動頻率的增加，機器人的角速度也相應增加，但滯后角卻保持在較小的范圍內（如12°左右）。這種穩定的滯后角關系對于維持機器人的持續穩定飛行至關重要。

旋轉運動學和氣動性能

此外，研究人員還通過數值模擬和實驗驗證了機器人的氣動性能。結果表明，隨著驅動頻率的增加，機器人的升力和阻力均有所增加，但升力-阻力比（即升力與阻力之比）卻呈現先增加后趨于穩定的趨勢。在雷諾數約為2500時，機器人的升力-阻力比達到了0.7，這一指標優于許多其他微型飛行器。

向上、懸停、碰撞生存和姿態恢復的無系留飛行演示

在飛行測試中，該機器人成功實現了向上飛行、懸停、避障和航跡調整等復雜動作。向上飛行測試顯示，機器人在約138毫秒內飛行了約4厘米的距離，平均垂直加速度為1.4米/秒2。懸停測試則表明，機器人能夠在空中保持一定時間的穩定飛行狀態。避障測試中，機器人通過調整飛行軌跡成功避開了障礙物，并展示了良好的目標擊中能力。

左轉飛行并與現有技術進行比較

在碰撞測試中，研究人員發現該機器人在碰撞后能夠迅速恢復飛行姿態，存活率高達76.5%。這一結果充分證明了該機器人在復雜環境中的魯棒性和可靠性。

▍結語與未來：

加州大學伯克利分校研究人員通過磁-力耦合驅動設計與低雷諾數氣動優化，研制出全球最小的可控無線飛行機器人，并在微型化、能效比與抗擾動能力等核心指標上取得突破，解決了傳統微型飛行器依賴線纜、控制笨重的難題。梯度磁場導航與陀螺穩定技術的結合，為微型無人系統的自主化提供了全新的參考方向。盡管目前續航時間與三維控制方面仍需突破，但該研究已向昆蟲尺度的仿生機器人實用化邁出了關鍵一步。