图：西雅图华盛顿大学的一个小组展示了一个两翼机器人

　　在近日的 Nature 杂志上，由 Robert J. Wood 教授领导的哈佛大学微机器人实验室（Harvard’s Microrobotics Lab）展示了一个四翼版本的 RoboBee 平台，并成功实现无束缚飞行。

　　就外观而言，该飞行器有两大特色：一对额外的翅膀（四翼）和顶部的太阳能电池。它可以在短时间内不受束缚地飞行。

　　图：四翼飞行器 RoboBee（来源：哈佛微型机器人实验室）

　　四翼飞行器 RoboBee 长 5 厘米，重 259 毫克。顶部是太阳能电池，底部是驱动电路，它可以把太阳能电池板的电压提高到 200 伏，这一工作电压可使翅膀振动频率达到 200 赫兹。现在的结构，可以避免太阳能电池板受到机翼气流的影响，同时又能让机器人的整体重心保持在机翼所在位置。该飞行器不需要任何控制，对于持续时间不到一秒的非常短的开环飞行，它可以足够稳定。

　　四翼 VS 两翼

　　2013 年，Robert J. Wood 实验室的一些人，包括当时的博士后 Sawyer Buckminster Fuller，在 Science 杂志上发表了一篇论文，介绍了一种基本上可控的蜜蜂机器人 RoboBee。第一代蜜蜂机器人设计得非常像蜜蜂，由两个蜜蜂翅膀大小的机翼驱动。起初，研究人员认为，蜜蜂可以用两只翅膀做很多事情，那么为什么机器人不能呢？

　　图：哈佛大学初代 RoboBee（来源：哈佛微型机器人实验室）

　　从那以后，又出现了好几代蜜蜂型机器人，后来事实证明，两机翼小飞行机器人之所以不能做蜜蜂所做的事情，原因有很多。至少就目前而言，偏航控制等问题就有些棘手，这也是为什么使用四个机翼而不是两个的原因之一。

　　具体来说，研究人员发现很难控制两翼微型机器人的旋转或偏航。相较而言，四个翅膀使得控制三个轴的方向非常简单。通过控制不同速度和振幅的翅膀振动，飞行机器人可以实现偏航、俯仰和翻转。当正常翅膀振动的频率保持在 160 赫兹左右。在一个方向上减小机翼振幅，然后在另一个方向增大振幅，这样可以保持频率不变，但实现偏航。

　　（来源：华盛顿大学）

　　在四翼机器人的设计中，横（x）轴和纵（y）轴转向是通过改变相对机翼的振幅来实现的；驱动竖（z）轴（“转向”）是通过改变相对于另一个方向的速度来实现的。压力中心的近似位置用左上角的一个点表示；它到机器人质心的距离由 rcp 给出，箭头表示四个翅膀每一个的近似振幅值。

　　今年，在机器人领域顶级会议 ICRA 也有一些令人印象深刻的研究，它们表明用两个翅膀控制偏航也是可能的。但是，这么小的微型机器人，尤其是飞行机器人，还有一个问题是电池能量储存。飞行器需要大量的动力起飞，并在空中飞行，这意味着需要一个相对大的电池提供较长时间的电力，这会让飞行器更重。这就是四翼飞行机器人的另一个优势了，额外的翅膀意味着有更大的力量，可携带更多的东西。而且，有了更大的举升力，就有了携带控制单元的能力，也就有可能实现一只完全独立的飞行机器人。当然，它看起来可能会有点怪异。

　　太阳能驱动 VS 激光驱动

　　需要指出的是，这并不是我们所见过的第一个能自主飞行的有翼飞行机器人。去年在 ICRA，西雅图华盛顿大学的一个小组展示了一个两翼机器人，当激光对准它的光感电池时，它就能起飞。

　　2018 年，在澳大利亚布里斯班举行的IEEE机器人与自动化国际会议上，来自华盛顿大学的机器人专家展示了两翼机器人 RoboFly，这是一个昆虫大小的激光驱动扑翼机器人，它进行了第一次(非常短暂的)不受约束的飞行。

　　（来源：华盛顿大学）