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358本周發(fā)表于《Science Robotics》的一篇論文中，倫敦帝國(guó)學(xué)院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和AquaMAV公司的機(jī)器人專家展示了一種水空兩用的機(jī)器人。
這種機(jī)器人通過(guò)瓦斯爆炸產(chǎn)生的推力從水中向空中移動(dòng)，能夠在空中上升到26米，并以11米每秒的速度前進(jìn)。
對(duì)于氣動(dòng)式機(jī)器人來(lái)說(shuō)，如何在需要大量壓力的時(shí)候高效的按需產(chǎn)生氣體，是一個(gè)挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，倫敦帝國(guó)學(xué)院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)爆炸產(chǎn)生推力的方式解決了這個(gè)問(wèn)題。
一、爆炸將無(wú)人機(jī)推向26米高空
其實(shí)早在ICRA 2015上，倫敦帝國(guó)學(xué)院的空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室就提出了一個(gè)叫做AquaMAV的多模態(tài)飛行游泳機(jī)器人的概念。
飛行和游泳機(jī)器人真正困難的不是從空中到水中的過(guò)程，因?yàn)榧词箼C(jī)器人已經(jīng)完全失去動(dòng)力，由于重力也可以落入水中。而從水中到空中，則需要更加穩(wěn)定的動(dòng)力。
研究人員盡可能多的集中力量來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，使用噴射推進(jìn)將機(jī)器人迅速推出水面。
2015年版本的AquaMAV，主要是一些非常復(fù)古的電腦效果圖和一些硬件，使用一個(gè)小的二氧化碳缸來(lái)驅(qū)動(dòng)它的水噴射推進(jìn)器。這種方法非常有效，但是壓縮氣體的存儲(chǔ)和釋放機(jī)制的質(zhì)量和復(fù)雜性對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)期自主飛行的機(jī)器人來(lái)說(shuō)并不那么實(shí)用。
爆炸，是一種可以同時(shí)產(chǎn)生大量的加壓氣體的方法。以前也有機(jī)器人使用過(guò)爆炸推力來(lái)移動(dòng)，只要能正確的控制爆炸，并產(chǎn)生燃料，這種方法就是非常有效的。
最新版本的AquaMAV后部噴出的水流是由瓦斯爆炸推動(dòng)的。氣體來(lái)自機(jī)器人內(nèi)部?jī)?chǔ)存的少量碳化鈣粉末與水的反應(yīng)。
水一滴一滴地與粉末混合，生產(chǎn)乙炔氣體，將其與空氣和水一起通過(guò)管道輸送到燃燒室中，點(diǎn)燃后乙炔空氣混合物爆炸，迫使水流出燃燒室，提供51N的推力，足以將160克重的機(jī)器人發(fā)射到26米高空，以每秒11米的速度飛越水面。
每次爆炸只需要50毫克的碳化鈣，與3滴水混合就可以產(chǎn)生足夠的乙炔?？諝夂退己苋菀撰@得，機(jī)器人上可以攜帶0.2克的碳化鈣粉末，它有足夠的燃料進(jìn)行多次跳躍，而且跳躍的力量足以讓機(jī)器人在相當(dāng)惡劣的海況下也能在空中飛行。
二、調(diào)節(jié)機(jī)器人質(zhì)心保持飛行平衡
提供足夠的推力只是一個(gè)問(wèn)題，需要解決的問(wèn)題還包括讓機(jī)器人在控制保持平衡的機(jī)翼。機(jī)器人本身的總體設(shè)計(jì)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)闄C(jī)器人的最佳設(shè)計(jì)和平衡在每個(gè)操作階段都有很大不同。
為了是AquaMAV在噴射階段以穩(wěn)定的方式飛行，質(zhì)心必須在飛行器壓力中心前方相當(dāng)一段距離。 但是，為了在水面上保持一個(gè)穩(wěn)定的浮動(dòng)位置和在噴射過(guò)程中所需的角度，質(zhì)心必須位于浮力中心的后面。
對(duì)于滑翔階段，為了確?？v向飛行穩(wěn)定性，必須在質(zhì)心和壓力中心之間達(dá)到良好的平衡。 在滑翔過(guò)程中，質(zhì)心應(yīng)該從機(jī)翼的壓力中心稍微向前。
AquaMAV目前的版本，主要針對(duì)飛行的噴射階段進(jìn)行了優(yōu)化，還沒有任何主動(dòng)的飛行控制界面，但研究人員樂(lè)觀地認(rèn)為，如果他們?cè)黾右恍?，讓機(jī)器人自主飛行就沒有問(wèn)題了。
目前AquaMAV還只是一架滑翔機(jī)，接下來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將給機(jī)器人安裝一個(gè)低功率的螺旋槳。為了實(shí)現(xiàn)水上和空中更有效的運(yùn)動(dòng)，還將安裝一個(gè)可切換的變速箱。
結(jié)語(yǔ)：飛行游泳機(jī)器人可用于水中取樣任務(wù)
倫敦理工學(xué)院研發(fā)的多模態(tài)飛行游泳機(jī)器人，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的爆炸提供動(dòng)能，可以使機(jī)器人從水中上升到空中，并穩(wěn)定飛行。解決了氣動(dòng)式機(jī)器人如何產(chǎn)生動(dòng)能和如何在飛行中保持平衡的問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)4年的潛心研究，AquaMAV已經(jīng)具備了穩(wěn)定的飛行能力，可以有效的執(zhí)行從水中到空中的飛行任務(wù)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這樣的機(jī)器人在大面積自動(dòng)取樣水樣的任務(wù)中會(huì)很有用，如果能推出遠(yuǎn)程控制的版本，將更加便捷，可以帶到海灘上遙控使用。
