MIT团队开发微型昆虫机器人1000秒悬停挑战自然极限

借助一种更高效的人工授粉方式，未来农民或许能够在多层仓库中种植水果和蔬菜，不仅可以显著提高产量，还能减少农业对环境的不利影响。

为实现这一目标，MIT 的研究团队致力于研发机器人昆虫，这些微型机器人可以从机械蜂巢中集群飞出，高效完成精确的授粉任务。然而，即便是目前最先进的昆虫大小机器人，在耐力、速度和灵活性方面依然难以与蜜蜂等“自然授粉者”相媲美。

如今，研究人员受自然授粉者的解剖结构启发，对机器人设计进行了全面优化，成功制造出比以往版本更加灵活耐用的微型飞行机器人。

全新设计的微型飞行机器人能够悬停约 1,000 秒，相较之前的版本，其飞行时间提升了 100 多倍。这款机器人昆虫的重量比回形针还轻，不仅飞行速度显著超过同类机器人，还能完成如双空翻等复杂的特技动作。

改进后的设计专注于提升飞行精度和灵活性，同时最大限度地减少人工翅膀弯曲部件所承受的机械应力。这种优化使机器人具备更快速的动作响应、更高的耐久性以及更长的使用寿命。

此外，新设计为机器人预留了充足的空间，可以搭载微型电池或传感器，从而为其在实验室外实现自主飞行提供了可能性。

“我们在这篇论文中展示的飞行时长可能已经超过了我们领域内所有这些机器人昆虫飞行总时长的累积。随着这款机器人寿命和精度的提升，我们正逐步迈向一些非常令人兴奋的应用场景，比如辅助授粉。” Kevin Chen 说道。他是电气工程与计算机科学系的副教授，同时担任电子研究实验室软体与微型机器人实验室的负责人，也是这篇论文的通讯作者。

与 Chen 共同撰写这篇论文的团队包括两位第一作者 Suhan Kim 和 Yi-Hsuan Hsiao，他们均为电气工程与计算机科学系的研究生；此外还有研究生 Zhijian Ren 以及暑期访问学生 Jiashu Huang。这项研究成果近期发表在了Science Robotics期刊上。

性能再提升

此前版本的机器人昆虫由四个相同的单元组成，每个单元配有两片翅膀，组合成一个大约微型磁带大小的矩形装置。

“然而，自然界中并没有昆虫拥有八片翅膀。在我们之前的设计中，单个单元的性能往往优于由多个单元组装而成的整体机器人。” Chen 解释道。

这种性能下降部分源于翅膀的排列方式。当翅膀拍动时，气流之间相互干扰，导致升力的减少，从而限制了机器人的飞行效率。

新的设计对机器人进行了“瘦身”，将原本由四个单元组成的结构减半。现在，每个机器人仅保留一片拍动的翅膀朝向机器人的外侧。这种简化设计不仅稳定了翅膀的运动，还显著提升了升力性能。此外，由于翅膀数量减少，这种优化释放了更多的内部空间，使机器人能够轻松搭载微型电子设备，如电池或传感器，为未来的功能扩展提供了可能性。

此外，研究人员还开发了一种更复杂的传动系统，将翅膀连接到执行器，即驱动翅膀拍动的人工肌肉。这些改进后的传动系统采用更长的翅膀铰链设计，有效降低了机械应力，这种应力曾是限制早期版本耐久性的主要因素。

“相比旧版机器人，我们现在能够产生的控制扭矩增加了三倍，这也是我们可以实现复杂且高度精准路径飞行的关键原因。” Chen 解释道。

尽管有了这些设计上的突破，最先进的机器人昆虫仍无法完全媲美自然界中的真正昆虫。例如，蜜蜂仅靠两片翅膀便能完成快速且精确受控的动作。

“蜜蜂的翅膀由一套极其复杂的肌肉系统精确控制，这种精细调节的能力让我们深感着迷，但我们目前还无法完全复制这一点。” Chen 补充说。

减少应力并增加动力

机器人的翅膀运动由人工肌肉驱动。这些微小的软体执行器由多层弹性体夹在两层极薄的碳纳米管电极之间制成，随后卷成柔软的圆柱体。执行器能够快速压缩和伸长，产生机械力来驱动翅膀的拍动。

在早期设计中，当执行器的运动达到飞行所需的超高频率时，设备往往会发生弯曲和变形。这种弯曲不仅降低了机器人的动力输出，还影响了其飞行效率。而新的传动设计能够有效抑制这种弯曲和屈曲现象，大幅减少人工肌肉所承受的应力，使其能够施加更强的力量来驱动翅膀。

另一个关键改进是引入了更长的翅膀铰链设计，这种设计能够减少翅膀拍动过程中产生的扭转应力。然而，这种铰链的制造是一大挑战，其长度约为 2 厘米，但直径仅有 200 微米。这种极小且精密的部件是实现翅膀稳定和耐久性的核心所在。

“如果在制造过程中稍有对准误差，翅膀铰链就会偏斜，导致其形状不再是矩形，从而影响翅膀的运动学性能。” Chen 解释道。

经过多次尝试，研究团队优化了一种多步骤的激光切割工艺，能够精确制造出每个翅膀铰链，确保其形状和对准达到理想状态。

在将所有四个单元安装到位后，这款改进版的机器人昆虫可以悬停超过 1,000 秒，并且在长时间飞行中保持了高度的飞行精度，没有出现性能下降的情况。

“我的学生 Nemo 在进行这次飞行实验时说，那是他人生中最长的 1,000 秒。这次实验让我们都感到非常紧张。” Chen 回忆道。

这款全新机器人还实现了平均每秒 35 厘米的飞行速度，这是研究团队迄今为止报告的最快飞行速度。同时，它能够完成滚转、双空翻等复杂动作，甚至可以精准沿轨迹飞行，拼出 “M-I-T” 的轨迹形状。

“归根结底，我们的飞行时间比该领域其他团队的成果长了整整 100 倍，这是一个非常令人振奋的突破。” Chen 表示。

接下来，Chen 和他的团队计划探索这款新设计的性能极限，目标是实现超过 10,000 秒的飞行时间。

他们还希望进一步提高机器人的飞行精度，使其能够精准地从花朵的中心起飞和降落。从长远来看，研究人员的目标是为这些飞行机器人安装微型电池和传感器，使其能够在实验室外实现自主飞行和导航。

“这款新型机器人平台是我们团队的重要里程碑，并开启了许多令人期待的发展方向。例如，在未来三到五年内，我们的核心目标是将传感器、电池和计算能力整合到这个机器人中。” Chen 表示。

这项研究得到了美国国家科学基金会和 MathWorks 奖学金的资助。

https://news.mit.edu/2025/fast-agile-robotic-insect-could-someday-aid-mechanical-pollination-0115