太阳能动力微型无人机比A4纸还轻？北航漆明净：低功耗、高升力，颠覆性的突破

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第81期，对话北京航空航天大学能源与动力工程学院教授漆明净。

嘉宾简介：漆明净，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授、博士生导师。北京航空航天大学教务部副部长，美国加州大学Berkeley分校博士后，长期从事微型机器人的推进与控制研究。

✏️划重点

• 翼展20cm，重4.21g，尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10、1/600。

• 这种飞行器主要由静电发动机和超轻质高压电源组成，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。

• 《Nature》上的文章并不是说需要达到多么高的制造工艺，但必须要有方向和思路上的指引，能够告诉大家未来应该如何做。

• 这款太阳能动力微型无人机效率高、功耗低，飞行时间长，能量转化效率是传统电磁电机的10倍以上。

• 飞行器完全可以通过太阳能赋能，未来这种太阳能动力微型无人机在低空经济领域前景广阔。

出品 | 搜狐科技

作者 | 周锦童

运营编辑 | 孟莎莎

众所周知，微型飞行器体积小、质量轻、机动性高，能够在狭小空间执行拍照、探测和运输等任务，在国民经济领域拥有广泛应用前景。

不过，一台微型无人机到底能有多轻？

举个例子，一张A4纸不过4.36克，而北京航空航天大学科研团队成功研制出了重为4.21克的太阳能动力微型无人机，比A4纸还要轻。

不仅如此，巴掌大小的无人机，仅靠两片微型太阳能电池板就能驱动，能够实现纯自然光供能下的持续飞行。

据悉，相关成果已发表在《Nature》杂志上，北航能源与动力工程学院博士研究生申威、博士研究生彭谨哲为共同第一作者，漆明净教授、闫晓军教授为通讯作者。

这款太阳能动力微型无人机续航能力如何？是如何实现飞行的？有哪些研究意义？应用场景如何？带着这些问题，搜狐科技对话了文章的通讯作者，北京航空航天大学能源与动力工程学院漆明净教授。

尺寸是此前世界最小太阳能飞行器的1/10

重量是最轻的1/600

漆明净表示，这款太阳能动力微型无人机名为“CoulombFly”，Coulomb（库伦）就是电荷的单位，它是一个概念验证机，翼展20cm，重仅4.21g，尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10、1/600。

“上面是像竹蜻蜓一样的螺旋桨，下面是一个像走马灯似的电机，还包括太阳能板和升压电路。”漆明净介绍称。

据了解，这种飞行器主要由静电发动机和超轻质高压电源组成，具备低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）的优势，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。

静电飞行器CoulombFly 图片来自北航新闻网

看到图片，可能很多网友都觉得这款太阳能动力微型无人机不够美观，载重也很小，对此，漆明净解释道，《Nature》上的文章并不是说需要达到多么高的制造工艺，但必须要有方向和思路上的指引，能够告诉大家未来应该如何做。

所以在底层创新足够的情况下，实现理论的闭环，哪怕最基本的优化还不够完善，也可以达到很好的效果，足够产生一个非常有视觉冲击的产品，况且漆明净和团队在效率、功耗、飞行时间等性能方面已经提升了8-10倍。

转速低、发热小、效率高

巴掌大小的无人机如何实现飞行？

目前许多微型飞行器都存在着弊端，重量小于10克的微型飞行器一般飞行时间不超过10分钟，更小的飞行器甚至只有几秒，但这款微型无人机可以实现在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。

此外，微型飞行器大多都使用传统的电磁电机作为发动机的驱动部件，电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，如果采用供电方便的自然太阳光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求。

因此，为了解决上述问题，漆明净和团队提出了一种新的静电驱动方案，他们研制出了一种可以在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，再搭配上超轻质高压电源，在极低功耗情况下保持较高的升力输出。

静电电机的结构设计和效率特性 图片来自北航新闻网

据漆明净介绍，这种静电电机相比于传统电机，电压高，电流低，依靠静子和转子间的库仑力连续旋转运动，结构简单、无需绕组。

“普通的传统电机像红太阳似的，发热非常严重，但我们的这款太阳能动力微型无人机一点发热都没有，效率高、功耗少，使用寿命长，而且能量转化效率是传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需功耗仅为电磁电机的1/10。”漆明净如是说。

因此，这也就不难理解为什么如此小尺寸的太阳能电池，也可以为这种微型飞行器提供飞行所需功率了。

不过，这种静电电机虽然效率高、功耗低，但仍需要千伏级高压电流来驱动，但传统的高压电源体积和重量太大，无法搭载，对此，漆明净和团队还研制了千伏级超轻质高压电源，让高压电源在微小尺寸下变得容易获取。

颠覆性的突破

未来在低空经济领域应用前景广阔

谈到这里，肯定有许多网友好奇，如果太阳能不足，那这种太阳能动力微型无人机岂不是无用了？

对此，漆明净也做了解释：“我们的核心是驱动装置本身功耗很低，不加电池是防止大家觉得这是用电池飞起来的，太阳能不足，加上电池就好了，非常容易解决，而且它的功耗是传统电机的1/10，用电池的续航能力也会比传统方案强很多。”

谈及此次研究的意义，漆明净称许多文章都把这次研究定义为了颠覆性的突破。

“其实这更像是颠覆了大家的观念，许多人都觉得太阳能能量低，成本高，但我们展示出来的飞行器完全可以通过太阳能赋能，之所以觉得能量不够是因为平时太浪费了。”漆明净如是说。

据了解，此前在该领域最高水平成果是哈佛大学2019年在《自然》发表的Robobee飞行器，但这种飞行器仍需采用人工光源（三倍太阳光）才能实现持续飞行，而这三倍光源还是实验室才有的条件。

谈及未来研究方向时，漆明净表示：“现在还不够完美，网友们吐槽的点都是我们后续需要一个一个解决的问题。文章发表之后，我们听到各个领域的意见和建议，包括未来改进方向、应用设想等，这也给我们后续研发很大启发。”

至于应用前景，漆明净称未来这种太阳能动力微型无人机在低空经济领域前景广阔，当然也可应用于狭窄空间勘探、搜救活动等特殊任务。