仿生学习网络 — 飞行家族

从自然界中发现双翼的灵感

仿生学习网络 — 飞行家族

飞行是人类最古老的梦想之一。它们向我们展示的各种各样的飞行方式,总是让我们对他们的世界所惊叹。在仿生学习网络中,飞行也是永恒的话题。多年以来,费斯托与高校、研究机构和研发企业合作,借鉴自然界的基本科学原理,打造了众多研究载体。

仿生学家们先是注意到了蝠鲼的胸鳍。蝠鲼虽生活在水中,但当它游动时,胸鳍却如同翅膀一般上下拍打。。2007年,我们将这一原理应用于Air_ray  中。这种人造鳍片采用气流优化式设计,可提高空气动力效率,同时翅膀可以灵活扭转,确保全部力量可以完全得到发挥。一台伺服电机沿纵向交替驱动两个侧翼,使羽翼上下摆动。另一个伺服电机驱动拍打着的翅膀沿横向轴旋转,由此操控 Air_ray 向后移动。凭借Fin Ray Effect® 轻巧的设计,氦气的浮力与拍打翅膀产生的驱动力,Air_ray能如同蝠鲼在水中游动一样在空气中移动。

2009 年开发的 AirPenguin 也采用了类似原理。它们运用的飞行技术与其生物样板的游动技巧类似。被动扭转翅膀可产生正向与反向推力。

AirPenguin 是第三组可以自主飞行的产品,它们漂浮于指定空间内,空间范围由超声波发射站进行监控。这些“企鹅”可在这一空间内自由移动。

微控制器使这些“企鹅”可以自主地或根据特定规则探索这一空间。

从水下延伸到天空

2011 年,我们在此基础上解码了鸟类飞行的秘密,并研发出了 SmartBird。该仿生设计受银鸥的启发,无需外力驱动即可进行自主启动、飞行和降落。

其翅膀不仅可以上下拍打,而且能以特定方式扭转。该设计中有一个活动的关节扭转驱动装置,可通过一系列复杂原理实现前所未有的高效驱动。通过连续诊断确保安全飞行。SmartBird 飞行时,翅膀位置、翅膀扭转情况或电池状态等数据均由软件记录下来和实时验证。

蜻蜓的飞行技巧

蜻蜓的飞行方式更为复杂。其飞行特性十分独特:它可以沿所有空间方向飞行、在空中保持静止且缓缓滑翔而完全不用拍打翅膀。蜻蜓的两对翅膀活动时互不影响,使其可以突然停止或转向,在短时间内加速,甚至是向后飞行。

2013 年,我们的仿生团队根据这些高度复杂的性能开发出了一款超轻型飞行器,即 BionicOpter。首次将直升机、引擎飞机和滑翔机这三种飞机的飞行方式汇聚于一个机型 通过控制拍打频率和每个翅膀的旋转,我们可以根据方向和推力强度分别对四个翅膀进行调整。远程操控蜻蜓飞行器到达所在空间内的几乎各个角落。

集体飞行

2015 年,Festo 通过 eMotionButterflies 在轻型结构和微型化方面又迈近了一步,每只仿生蝴蝶的重量只有 32 克。为了尽可能地复制自然生物样板的飞行,eMotionButterflies 配备了高度集成的机载电子设备。它们可以精确且独立地控制各个机翼,实现快速移动。

安装在空间内的十台摄像机通过红外标记感测这些“蝴蝶”的位置, 然后将位置数据传输至中央控制主机,协调蝴蝶的运动。

Festo BionicFlyingFox

BionicFlyingFox:在飞行过程中,控制主机将人工仿生狐蝠与真实狐蝠的飞行轨迹进行对比。通过机器学习,不断优化仿生狐蝠的飞行效果。。

在限定的空间内进行半自主地飞行

仿生工程师进一步开发了智能网络系统,并在 2018 年汉诺威工业博览会上展出了 BionicFlyingFox。通机载电子设备和外部摄像机系统的配合使用,FlyingFox 可进行半自主飞行。可使人工仿生蝙蝠以2.28米的翼展从空中飞过。

它拥有富有弹性的翼膜,从两翼一直延伸至后肢。该翼膜为专门研制,由一块氨纶织物和气密薄膜组成,通过选择性焊接紧密地焊接在一起。织物呈蜂窝结构,因此即便轻微受损,BionicFlyingFox 也能够继续飞行。

大自然中生物的飞行方式各有千秋——要将这些技术投入到科技研发中,需要面临轻量化与功能整合两大挑战。而BionicFlyingFox将所有高载荷运动学中的关节点置于同一平面内,以便整个机翼呈剪刀状折叠。至此,费斯托成功解密了动物世界中的已知的飞行方式。然而探索远没有结束。在大自然中,还有其他无与伦比的现象,启发着仿生研究团队发现新的科技方案。

三月 2018

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