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  無人飛行器（UAV）具有高性價比、超視距觀測、操控簡便等特點，可替代人類執(zhí)行各類挑戰(zhàn)性任務(wù)，在跟蹤/監(jiān)視、物體輸運和緊急救援等方面具有重要的應(yīng)用潛力；尤其是具備寄居功能的無人機可以附著在目標表面，有助于突破無人機功耗高、續(xù)航短的瓶頸，實現(xiàn)有限機載能源下的長時間持續(xù)作業(yè)。然而，目前寄居無人機主要附著在靜態(tài)或準靜態(tài)目標表面，難以應(yīng)用于移動目標物體，極大限制了無人機作業(yè)的作業(yè)范圍。如果無人機能夠寄居在動態(tài)目標表面，利用移動目標完成無人機自身任務(wù)，將極大拓展無人機的任務(wù)執(zhí)行場景，是無人機研究的創(chuàng)新思路。

電致動智能粘附結(jié)構(gòu)及其仿生機制

圖1 一種基于電致動智能粘附結(jié)構(gòu)的寄居機器人

液晶彈性體人工肌肉力學(xué)性能

圖2 三明治狀人工肌肉的致動與變形特性

電致動智能粘附結(jié)構(gòu)的粘/脫轉(zhuǎn)化行為自主感知

圖3 電致動智能粘附結(jié)構(gòu)的粘/脫轉(zhuǎn)化自主感知

  當(dāng)無人機在目標目標表面降落著陸時，通常會產(chǎn)生界面對接沖擊力，極大影響無人機的寄居效果。在此，研究團隊提出的電致動智能粘附結(jié)構(gòu)中的離散化人工肌肉和微尺度粘附結(jié)構(gòu)，可以有效地吸收界面對接沖擊能，從而抑制結(jié)構(gòu)振動和回彈，保障無人機的寄居動作穩(wěn)定性。同時，由于離散化人工肌肉陣列有效降低了智能粘附結(jié)構(gòu)的整體剛度，增加了系統(tǒng)柔韌性，電致動智能粘附結(jié)構(gòu)對弓形面、波紋面等非平整表面仍表現(xiàn)出良好的接觸適應(yīng)性，亦對不同材質(zhì)、不同粗糙度目標表面表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性能，極大拓展了無人機的寄居表面類型。

圖4 電致動智能粘附結(jié)構(gòu)的能量吸收和接觸適應(yīng)性

電致動智能粘附結(jié)構(gòu)在寄居無人機中的集成應(yīng)用

  研究團隊利用3D打印的裝配支架將電致動智能粘附結(jié)構(gòu)置放于無人機底部或頂部。若電致動智能粘附結(jié)構(gòu)安裝在無人機底部，其能夠穩(wěn)定在附著在移動的車頂（在車輛急加速、急減速、急轉(zhuǎn)彎、顛簸路段均表現(xiàn)處優(yōu)異的附著特性），并可實時感知反饋著陸-寄居-復(fù)飛動作；若智能粘附結(jié)構(gòu)安裝在無人機頂部，其既能在傾斜目標的下表面寄居，亦可在天花板的負平面穩(wěn)定附著，同時利用柔性傳感器實時感知無人機寄居狀態(tài)；為無人機的自適應(yīng)穩(wěn)定寄居提供了創(chuàng)新途徑。

圖5 寄居無人機應(yīng)用展示

  研究團隊提出的基于電致動智能粘附結(jié)構(gòu)的寄居無人機，利用仿生粘附結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)負壓吸附、電磁吸附等界面附著方式，有助于減輕無人機負載重量；利用人工肌肉靈活、可控的變形能力，取代傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)和電機，有助于簡化驅(qū)動控制系統(tǒng)；利用集成設(shè)計的自感知功能，有助于在不影響寄居功能前提下實現(xiàn)無人機的自主控制；是粘附/傳感/致動一體化結(jié)構(gòu)在無人機寄居領(lǐng)域的新嘗試。更為重要的是，電致動智能粘附結(jié)構(gòu)可與大多數(shù)商用無人機直接集成，若將其安裝于水下航行器，能夠進一步豐富寄居機器人類型。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj3133