激光动力机器人昆虫实现升空

对于各种尺寸的机器人，功率是一个基本问题。任何移动的机器人都会受到电源的限制，无论是依靠携带重型电池，内燃机，燃料电池还是其他任何东西。随着你的机器人变得越来越小，管理动力尤其棘手，因为它可以更直接地扩展这些东西而不是缩小 - 以及非常小的机器人(质量在数百毫克范围内)，特别是那些需要大量功率的机器人，确实没有一个好的解决方案。在实践中，这意味着在小型昆虫的规模上，机器人通常依靠系绳来获取动力，这对于使它们长期实用是不理想的。

下周，在西雅图华盛顿大学举行的IEEE国际机器人与自动化会议上，来自西雅图华盛顿大学的机器人专家将展示RoboFly，这是一种激光动力昆虫大小的扑翼机器人，可以执行第一次(非常短暂的)不受限制的如此小规模的机器人飞行。

有许多不同的方法可以远程为机器人提供动力，但是大多数方法都有低范围或低效率，或者不能提供大量电力。对于一些小型机器人来说，这很好，但飞行机器人需要在相对较长的距离上传输大量的电力才能发挥作用。有一个明显最好的方法，这显然是最好的，因为它几乎解决了科学中的每一个问题：激光

RoboFly-A的基础上设计 RoboBee 扑翼微型机器人从哈佛大学微型机器人实验室 -is关于大黄蜂的大小，重量仅为190毫克(比牙签多一点)。它由红外激光驱动，瞄准那个微小的光伏电池，可以收集机器人空降所需的250毫瓦。在视频中，激光不跟踪机器人，因此一旦太阳能电池移出光束，它就会断电并且机器人停止飞行。

最终，RoboFly可以通过安装在天花板上的激光器进行控制，无论它在哪里都能跟踪它，甚至可以安装在移动车辆(或其他机器人)上的激光器，这些激光器可以跟随RoboFly并无限期地为其提供动力

虽然提供动力是挑战的重要组成部分，但开发将这种动力转化为飞行所必需的电子设备是华盛顿大学集团最初关注的焦点，其中包括 Johannes James，Vikram Iyer，Yogesh Chukewad，Shyamnath Gollakota和Sawyer B富勒。机翼由两个压电致动器驱动，这需要大约250伏特以最大化功率密度。光伏电池仅输出7 V，因此研究人员必须定制设计一个升压转换器来驱动机翼，并添加一个微控制器来控制它们。他们设法将这两种东西塞进一个重量不到100毫克的电子产品包中，使机器人能够完全不受限制地运行。

观看视频很有吸引力，就像“呃，就是这样吗?”但请注意，机器人实现更长时间飞行所需要的主要事情是激光器跟踪光伏电池，以便它可以持续提供电力，这是其他研究人员在取得一些成功之前所做的一个问题。UW团队已经能够在室内1.23米的范围内为机器人供电，并且使用更高输出的激光器(或者可以更好地聚焦的激光器)，他们预计不应该有几十米的范围。很大的问题。最终，RoboFly可以通过安装在天花板上的激光器进行控制，无论它在哪里都能跟踪它，甚至是安装在移动车辆(或其他机器人)上的激光器，它们可以跟随RoboFly并无限期地为其提供动力。

包括哪些RoboFly可能被用于，我们与威斯康星大学教授谈到 索耶B.富勒，谁 指挥自治昆虫机器人实验室， 和希亚姆Gollakota，谁领导的网络和移动系统实验室，通过电子邮件。

IEEE Spectrum：开发能够在这种规模上有效运行的电子产品面临哪些挑战，您是如何接近它们的?

Sawyer B. Fuller：电子组件的重量小于牙签，并产生正弦信号。它还集成了第一个像这样的蜜蜂机器人飞行的微控制器。面临的挑战是提出一种快速构建和迭代超轻电路的方法，并将其与高效的电力传输系统集成，并在非常高(> 200)的电压下进行。

您是否认为由远程激光源驱动的这种规模的飞行在受控环境之外是否可行?你能想象什么应用?

Shyam Gollakota：许多应用，例如在农场和寻找油管泄漏，我们很可能仍然会有视线。因此，基于激光的昆虫供电是有用的。您可能遇到的另一个问题是安全问题，在过去的几个月里，我们确实设计了一种方法，可以为手机等消费电子产品实现高功率(2 W)的安全传输。

富勒：通过切割电线并采用板载升压转换器，我们还为其他来源(如太阳能或能量收集Wi-Fi或蜂窝信号)为这些机器人供电奠定了基础。

您是否认为无线电源传输对于这样的系统是必要的，或者您认为能量存储可能会改善到这些机器人能够为自己供电的程度吗?

Gollakota：当前电池技术的问题在于它们的重量(相对)，因此仅使用电池就很难在没有充电的情况下进行持续飞行。我们设想我们的太阳能电池可以直接从太阳收获，并创造一个可以跳来跳去的昆虫级机器人。因此，我们在此设计中引入的单元原则上将使机器人能够获得动力。人们还可以添加超级电容器来存储一些能量。

富勒：最终，我们将它们视为使用储存能源和外部能源的组合。也就是说，我们想要加入电池，但这需要一个非常小且高耗电的特殊电池，这在市场上是不可用的。

最近有一些来自Energous和Ossia等公司的无线电力传输商业演示。有关如何应用于昆虫级飞行机器人的任何想法?

Gollakota： Energous和Ossia使用RF信号(我们相信2.4千兆赫兹，5 GHz及更低)为设备供电。与激光相比，使用RF进行功率传输的挑战是效率。由于RF信号本质上是广播的，因此它们随距离显着衰减(在理想情况下为1 / r ^ 2，在实际情况下为1 / r ^ 3)。因此，为了在10米的距离处提供100mW，发射功率高出几个数量级。相反，由于激光信号被聚焦，因此它们没有类似的衰减。此外，虽然可以通过使用多个天线使RF信号成为定向的，但是为了获得2.4GHz的波束状行为需要数百个天线，这非常困难，尺寸大并且在实践中实现昂贵。

富勒：我认为探索使用他们的技术潜在地为昆虫级机器人提供动力真的很棒 - 但是如Shyam建议的那样，它必须在很短的范围内。我们的机器人使用很少，为大型无人机开辟了许多潜在的动力源，这些动力源的密度可能太微小或太危险。

你接下来要做什么，以及如何延长飞行时间/高度并使这样的机器人可控制?

富勒：我们的下一步是在机器人飞行时将激光引导到机器人，这样它可以无限期地悬停或飞行更长的距离。激光束已经在高达一米的范围内进行了演示，但我们认为它可以轻松地走得更远。