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  無人飛行器（UAV）具有高性價(jià)比、超視距觀測(cè)、操控簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，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(yùn)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(jī)可以附著在目標(biāo)表面，有助于突破無人機(jī)功耗高、續(xù)航短的瓶頸，實(shí)現(xiàn)有限機(jī)載能源下的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)。然而，目前寄居無人機(jī)主要附著在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)目標(biāo)表面，難以應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)物體，極大限制了無人機(jī)作業(yè)的作業(yè)范圍。如果無人機(jī)能夠寄居在動(dòng)態(tài)目標(biāo)表面，利用移動(dòng)目標(biāo)完成無人機(jī)自身任務(wù)，將極大拓展無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行場(chǎng)景，是無人機(jī)研究的創(chuàng)新思路。

電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)及其仿生機(jī)制

圖1 一種基于電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)的寄居機(jī)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(dòng)與變形特性

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

  當(dāng)無人機(jī)在目標(biāo)目標(biāo)表面降落著陸時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生界面對(duì)接沖擊力，極大影響無人機(jī)的寄居效果。在此，研究團(tuán)隊(duì)提出的電致動(dòng)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(duì)接沖擊能，從而抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)和回彈，保障無人機(jī)的寄居動(dòng)作穩(wěn)定性。同時(shí)，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(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)不同材質(zhì)、不同粗糙度目標(biāo)表面表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性能，極大拓展了無人機(jī)的寄居表面類型。

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

電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)在寄居無人機(jī)中的集成應(yīng)用

  研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印的裝配支架將電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)置放于無人機(jī)底部或頂部。若電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)安裝在無人機(jī)底部，其能夠穩(wěn)定在附著在移動(dòng)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(shí)時(shí)感知反饋著陸-寄居-復(fù)飛動(dòng)作；若智能粘附結(jié)構(gòu)安裝在無人機(jī)頂部，其既能在傾斜目標(biāo)的下表面寄居，亦可在天花板的負(fù)平面穩(wěn)定附著，同時(shí)利用柔性傳感器實(shí)時(shí)感知無人機(jī)寄居狀態(tài)；為無人機(jī)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(jī)應(yīng)用展示

  研究團(tuán)隊(duì)提出的基于電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)的寄居無人機(jī)，利用仿生粘附結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)負(fù)壓吸附、電磁吸附等界面附著方式，有助于減輕無人機(jī)負(fù)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(jī)，有助于簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；利用集成設(shè)計(jì)的自感知功能，有助于在不影響寄居功能前提下實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主控制；是粘附/傳感/致動(dòng)一體化結(jié)構(gòu)在無人機(jī)寄居領(lǐng)域的新嘗試。更為重要的是，電致動(dòng)智能粘附結(jié)構(gòu)可與大多數(shù)商用無人機(jī)直接集成，若將其安裝于水下航行器，能夠進(jìn)一步豐富寄居機(jī)器人類型。

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