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蜻蜓带来灵感!这家公司开发了一款扑翼无人机

[摘要]旋翼无人机存在诸多缺陷,例如不能稳定地在大风天气下飞行。英国一家创业公司受蜻蜓启发,在开发采用扑翼设计的无人机。

腾讯数码讯(文心)据TechCrunch网站报道,英国仿生工程创业公司Animal Dynamics正在开发一款带有机翼、模仿蜻蜓扑翼飞行的微型无人机。该项目从2015年6月进行可行性研究,通过国防科技实验室(以下简称“DSTL”)获得英国国防部150万英磅(约合人民币1290万元)资助。

蜻蜓带来灵感!这家公司开发了一款扑翼无人机

去年秋季,Animal Dynamics从可行性研究进入第二阶段:尝试生产原型机。Animal Dynamics称它有信心今年夏季生产出能用于演示的Skeeter无人机原型,并计划明年底达到实用水平。

需要清楚的是,Skeeter尚不能真正飞行。目前,Animal Dynamics公开展示的只是挑在杆上、与昆虫类似的模型。但Animal Dynamics联合创始人、首席执行官亚历克斯·卡西亚(Alex Caccia)表示,他相信Skeeter“在未来2-3个月内”将能飞上蓝天,“飞行器面临的挑战之一是,必须万事俱备才能真正飞行,我们现在已经接近这一目标。”

Animal Dynamics还计划未来数月进行A轮融资,募集约400万英磅(约合人民币3440万元)资金,用于继续开发Skeeter,以及在开发Skeeter过程中获得的“副产品”技术,例如为无人机开发的高效直线驱动器,Animal Dynamics估计这一技术可以用于其他领域,例如医用泵和道路车辆推进装置。

卡西亚说,“从根本上说,我们对于从研究自然界生物如何提升性能和效率中开发商业化产品很感兴趣。”

带有扑翼的无人机已经存在——其中包括美国国防部高级研究计划局资助、由美国Aeroenviroment在2010年开发的与蜂鸟类似的无人机,但公平地说,扑翼无人机并不常见。在无人机领域,更常见的是噪音很大的旋翼无人机。

TechCrunch表示,旋翼无人机存在不足之处。在有风的天气中,旋翼无人机不能稳定地飞行,甚至相当危险。在空中飞行,旋翼无人机需要强大的动力

卡西亚在讨论英国国防部对Skeeter的要求时表示,“满足DSTL的要求是一个非常大的挑战,它们要求无人机能在大风和恶劣环境中飞行。”

“国防部在阿富汗和伊拉克非常成功地使用了无人机,在环境合适的情况下,无人机对士兵有很大帮助,它们侦察能力极强。无人机需要尺寸相当小,方便隐形、方便携带,也可以有效地降低噪音。但是,即使在微风情况下——例如风速达到每秒5米,无人机就没法正常地飞行了。因此,国防部遭遇了挫折。”

正如卡西亚表示的那样,传统军火商根本不相信它们能开发满足国防部要求的无人机产品。但Animal Dynamics另外一名联合创始人、牛津大学动物系生物力学教授艾德里安·托马斯(Adrian Thomas)表示,解决方案在于向大自然寻求灵感——鸟和昆虫在大风天气中也能稳定地飞翔。最终,Animal Dynamics的方案赢得了DSTL的资助。

卡西亚表示,“在多利斯暴风期间,艾德里安正在修剪花园,当时风速达到每小时50英里(81公里),仍然有大黄蜂欢快地在草坪上飞行,丝毫没有受到大风的影响。这是一个昆虫很久前就已经解决了的问题。要解决这一问题非常、非常地困难,但扑翼推进能很好地解决这一问题,旋翼推进对此则无能为力。”

在被问到对扑翼飞行面临的技术挑战的看法时,伦敦帝国学院航空机器人实验室主任米尔科·科瓦克(Mirko Kovac)博士向我们表示,“与旋翼解决方案相比,扑翼飞行有数个优点,其中包括高机动性和向前飞时能耗低,但它也面临相当大的挑战,其中包括需要对涉及的气体力学有透彻的理解,以及开发无人机结构、扑翼传动结构、控制器。”

科瓦克还专门针对Skeeter项目发表了评论,“上述的时间表是可能的,但它取决于无人机尺寸和重量。玩具市场上已经有尺寸与飞鸟相当的扑翼无人机,蜜蜂大小的飞行机器人仍然处于大学研究阶段。但是,我仍然相信开发一款能应用在环境监测、智能农场、搜索和救援领域的微型扑翼无人机是可能的。”

卡西亚表示,目前使Skeeter能翱翔蓝天的最大挑战是机械设计。正如许多人预计的那样,与旋翼相比,扑翼在技术方面要复杂得多,尤其是在可以利用的动力相对较小的情况下,因为Skeeter重量相当轻、依靠电池供电。

他说,“真正的挑战在于制造摩擦力非常小的机械装置。在扑翼和飞行控制系统解决后,真正困难的就是机械设计了。因此,我们在与瑞士手表业部分人士合作,让他们帮助我们解决这一难题。真正的难题在于摩擦,我们需要把摩擦降低到非常、非常低的水平。”

“即使是最小的摩擦也将产生阻力,生成热量,使得机械不能正常地工作。大多数机械系统通过使用不合理地大的动力解决这一问题,我们没有如此大的动力,因此只能想方设法地减小摩擦。”

托马斯也把“摩擦和惯性载荷”称作难题,“削减机翼重量能带来很大好处。相似的是,除气动负荷外,发动机的几乎所有做功,都被用来抵消扑翼系统的摩擦,减小摩擦也能带来巨大好处。”

“稳定性和控制系统可能似乎颇具挑战性,但人们在飞鸟和昆虫的控制、稳定性方面已经进行了大量研究。与当前市场上的无人机相比,我们的无人机具有巨大优势——关闭发动机后,它能滑翔直到缓慢地着陆,被动稳定性很高。”

Animal Dynamics表示,Skeeter将受益于能方便地获得电子零部件——为移动产业开发的电子零部件。

卡西亚表示,“使Skeeter这样的项目成为可能的一个因素是,可以利用手机产业开发的零部件,能方便地获得超低价MEMS(微电子机械系统)、传感器、微型天线和大量电子零部件是关键因素之一。我已经注意到,市场上有大量可用的零部件,我们肯定会利用这些零部件。”

他还表示,电子零部件可随意购买,是国防部资助像Skeeter这样的项目的又一个动力,“它们需要尝试,保持领先,同时与技术开发界合作,了解如何使用这些技术”。

根据设计,与蜻蜓相似的Skeeter最大尺寸为120毫米,重量不足20克(包括一个相机、其他必要的通信和导航传感器),最高速度为每小时约45公里。卡西亚称,Skeeter飞行时间“不足1小时”,不过他也指出,这取决于风速和风向,并指出有机翼的无人机还能滑翔——节省电池电能。

TechCrunch称,航程主要受限于无线电信号。卡西亚表示,航程至多为1000米。虽然Animal Dynamics计划把每架Skeeter成本控制在“3000英磅(约合人民币25802元)”——以便使它能被“大量使用”,但Animal Dynamics能否压缩成本还是个问题。

有一点是确定的:如果Skeeter能成功飞上天,它将是一款定制产品——一款面向军事用途的无人机。虽然普通消费者不会收到由Skeeter递送的亚马逊快递,卡西亚承认扑翼无人机的用途绝非仅仅局限于秘密监视。在研发工作完成后,军方资助的技术总是会用于民用目的,无人机技术即是如此。

卡西亚说,“我认为Skeeter的市场不仅仅局限于军事,也能用于其他领域,或衍生出不同大小的产品。使Skeeter尺寸如此小是一个明确的要求,因为军方一直在使用这种大小的无人机,但Skeeter的技术能用于更大尺寸的产品。因此我们考虑继续融资的原因之一是,我们有意开发尺寸更大的产品。”

他表示,“尺寸更大的扑翼无人机有各种优势,可以以高得多的效率由A地飞往B地,危险程度大大降低。在飞行时把手指放在扑翼上也不会受伤。与旋翼无人机一样,任何一个机械零部件出现故障,Skeeter就不能正常飞行了。”

尺寸更大的扑翼飞机能载重——例如送快递吗?卡西亚估计能,但他表示,这样的扑翼无人机要求半米到1米的翼展。令人遗憾的是,这意味着扑翼飞机用于在城市送快递的可能性不大。它可能只能用于一些边缘情况,例如向偏远地区运送人道主义救援物资。

卡西亚说,“我认为送货无人机是一个可笑的想法,无人机送货不可能出现,这只是一种幻想罢了。但我认为大尺寸Skeeter有其他用途——例如农业、对大片区域进行调查。旋翼无人机几乎不适用于这些用途,因为飞行时间短。因此我认为这些用途是值得探索的领域。”

Animal Dynamics认为,即使是微型无人机,也可能用于农业领域。托马斯说,“我希望探索的一个领域是温室精准农业。利用无人机给需要的农作物精准地喷洒营养素或农药,而非给整个温室内的作物用药。一旦Skeeter能投入量产,成本能降低到合理水平,这对于当前的无人机来说是一个很好的用途。”

Animal Dynamics还在研究扑翼在水中的应用,例如用作推进装置和水力发电,卡西亚指出,鱼游动的效率远远高于采用螺旋桨的水力运输工具。

卡西亚向TechCrunch表示,“这是艾德里安和我首先感到激动的应用,我们希望今年夏季能完成技术研发,并尝试打破世界速度纪录。”

卡西亚说,“螺旋桨设计效率已经基本达到最高值,过去20年,螺旋桨效率没有出现大的提升。当然,许多人都认为扑翼设计是可笑的,但大自然向我们表明,在水中浪费能源的是一连串的泡泡。在水中游动的时候,鱼不会产生泡泡。因此,我们对所有方面都感兴趣,并在开发利用扑翼的舷外发动机,它噪音非常低。”

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来源:TechCrunch

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责任编辑:yannwang
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