UCLA等团队造出185毫克飞行机器人，被1.1万倍自重压扁后还能起飞

“被拍下来、压扁之后，还能接着飞。

如果面前飞过一只只有185毫克的机器人，你大概会下意识觉得：这东西最好别碰。

毕竟在微型机器人世界里，轻和脆往往是一对难兄难弟。机翼、传动机构、驱动器都被压缩到毫米尺度，一次碰撞，都可能直接结束飞行。

但这一次，研究人员选择了一种非常直接的测试方法：拿苍蝇拍，拍它。还嫌不够，他们又拿来总重约2.1千克的铝块，把这个只有185毫克的小东西整个压扁。

换算下来，压在它身上的重量大约是自身的1.1万倍。结果重物拿开后，翅膀重新展开，它又飞起来了。

这不是一段机器人“抗揍挑战”，而是来自《Science Robotics》9月30日发表的一项微型飞行机器人研究。来自加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院和加州大学戴维斯分校的研究人员，做出了一种重量仅185毫克的全聚合物微型扑翼飞行机器人。

它真正特殊的地方，不只是轻。研究人员试着把微型飞行机器人身上那些最容易“挨一下就坏”的硬结构，尽可能拿掉了。

01.

微型飞行机器人，为什么不经撞？

在自然界里，一只昆虫撞到树叶、墙面甚至被挤进缝隙，并不是什么大事。它们的翅膀、外骨骼和肌肉本身就带着柔性。受到冲击时，身体可以通过形变把载荷分散掉。

但人造的扑翼机器人不太一样。为了让几百毫克甚至更轻的机器人扇动翅膀，过去的设计往往要依靠刚性机翼、机械传动结构或者刚性驱动器。

这些刚性部件虽然能让机器人实现精确运动，但也有一个明显的问题：不太“经撞”。受到碰撞或挤压时，它们不像昆虫的柔性身体那样能够通过变形把冲击分散开来。力量更容易集中在机翼、传动结构或驱动器等局部位置，一旦超过承受范围，就可能出现损坏甚至直接失效。

研究团队因此提出了一个思路：既然昆虫靠柔性结构扛住冲击，那能不能干脆让机器人的动力系统和翅膀都软下来？甚至，连传动机构都不要了。

最终，他们做出的APFR（All-Polymer Flying Robot，全聚合物飞行机器人）结构相当直接。一个柔性的弯曲驱动器，两端直接接上两片柔性机翼。没有齿轮，也没有传统机械传动机构。驱动器自己一弯，翅膀就跟着拍。

这种设计一方面减少了复杂机械连接，另一方面，也让整个结构能够通过形变吸收外力。

02.

不用传动机构，它怎么把翅膀扇起来？

这个机器人的“肌肉”，是一种电致伸缩弯曲驱动器。核心材料叫做P(VDF-TrFE-CFE)，一种弛豫铁电三元共聚物。

名字听起来很硬核，原理可以简单理解——加上电场，聚合物内部的分子构象发生变化，材料产生伸缩；电场撤掉后，又重新恢复。

研究人员再把这种聚合物薄膜与聚酰亚胺背衬层组成双层结构。这样，原本发生在薄膜平面里的伸缩，就会被转化成明显的上下弯曲。于是，电场不断开、关，驱动器就开始来回摆动，像一块快速弯折的“人工肌肉”。

电致伸缩聚合物驱动扑翼致动器

这块“肌肉”不仅灵活，还够猛。在4千伏、110赫兹条件下，这个驱动器的弯曲角度最高达到136°，研究人员计算得到的功率密度达到1600瓦/千克。

这两个指标很关键。因为微型扑翼机器人面对的矛盾一直很直接：驱动器既要软，才能扛住形变；又必须够快、够有力，否则根本拍不动翅膀。这套驱动器试图同时解决这两个问题。

不过，有力气还不够，拍空气，也得讲技巧。

机器人的两片翅膀由10微米厚的PET薄膜折叠而成，并且做成了类似锥形的柔性结构。当驱动器向上运动时，空气阻力会把锥形翼“收”起来一些，减小阻力；到了产生主要升力的另一个行程，翅膀重新张开，用更大的面积与空气作用。

换句话说，它没有额外安装一套复杂机构去主动调节翼面角度。翅膀自己会随着空气阻力发生被动变形。柔软，在这里不只是为了“不容易坏”，本身也是空气动力设计的一部分。

03.

从“会拍翼”到真正起飞

装上机翼后，机器人的实际飞行频率并不是前面驱动器测试中的110赫兹，而是降低到了30赫兹。

这一点很重要。110赫兹、136°、1600瓦/千克，说的是驱动器本身的性能；而完整机器人真正起飞时，使用的是另一组工况。

在4千伏、30赫兹条件下，这台机器人产生了5.6毫牛的净升力，升重比达到3.0。也就是说，产生的净升力约相当于自身重量的3倍。与此同时，其功耗为0.643瓦，对应升功率比为8.3毫牛/瓦。按照论文中的数据比较，这两项指标优于其列举的大多数亚克级扑翼机器人。

然后，它真的离开了地面。所有飞行演示都不借助机械辅助起飞，不过机器人仍连接着两根细线，由外部设备供电。

真正有意思的，是起飞实验。机器人启动后，最初100毫秒内，也就是前三个扑翼周期，向上爬升约40毫米，平均上升速度达到40厘米/秒。七个周期后，它已经上升约90毫米。但随后机器人翻了。

原因也很现实。目前这台机器人还通过两根细线连接外部电源，论文认为，系绳带来的不平衡力矩和空气动力扰动导致姿态失稳。

所以严格来说，这还不是一台已经能够自己带着电池、传感器和控制系统自由乱飞的“机器昆虫”。它证明的是，这套全聚合物、无传动结构已经具备把自己送离地面的能力。

04.

扛住苍蝇拍，也扛住1.1万倍自重

真正考验这套结构的，是接下来的抗冲击和抗压缩测试。

第一关：苍蝇拍。

研究人员直接让机器人在飞行过程中遭受苍蝇拍冲击，这次撞击的冲量约为0.20牛·秒。

挨完一下之后，机器人没有散架。它重新向上飞，在165毫秒内爬升约60毫米，平均速度约36厘米/秒，与正常起飞时的40厘米/秒相比变化不大。

第二关更直接：压。

研究人员把总重约2.1千克的铝块压在机器人身上。对一台185毫克的机器人来说，相当于约1.1万倍自身重量，整个柔性机翼直接被压扁。

但因为锥形机翼能够通过弹性变形吸收载荷，并没有发生不可逆撕裂。重物移除后，翅膀重新恢复形状，机器人在233毫秒内重新向上爬升42毫米。

研究人员还进一步制造了更严重的机翼凹痕。有些凹痕在静止状态下并不能自己恢复。但只要机器人重新开始扑翼，动力冲程中的空气阻力就会帮助机翼把凹痕重新“顶”回来。

实验中，部分凹痕经过三个扑翼周期就恢复了。飞行机器人的柔性结构通过动态形变恢复了自己的几何形状。

进一步测试中，机器人分别沿x、y、z三个方向被压缩后，升力仍保留原来的98.5%、98.0%和97.4%。

这可能才是这项工作最值得关注的地方。面对一台脆弱的小机器人，研究人员没有给它套上一副更坚硬的“盔甲”。他们选择了相反的方向——让它软到能够被压扁，再恢复。

05.

离真正的“机器飞虫”还有多远？

当然，现在就说这样的机器人马上可以成群钻进废墟搜救，还太早。

第一个非常醒目的问题，就是4千伏。

虽然机器人的体积和重量已经到了昆虫尺度，但目前驱动仍需要千伏级电压。论文提出，未来可以把多层更薄的三元共聚物薄膜堆叠起来，将工作电压从千伏级进一步降低到数百伏。

第二个问题是效率。

目前驱动器的能量效率大约只有5.7%。很大一部分能量在电压撤掉时，以电阻耗散和碳纳米管电极产生的焦耳热等形式损失。研究人员认为，通过加入电荷回收电路，理论上有机会显著降低功耗。

第三个问题，则是所有超轻飞行机器人绕不开的老难题：电源到底放哪？

现在的飞行实验仍然依靠外部供电。要真正实现无绳自主飞行，还需要塞进去轻量化电源、传感器、微控制器和闭环飞行控制系统。这些东西每多一毫克，对一台总重185毫克的机器人来说都不是小事。

它的寿命目前也谈不上无限。在3.5千伏、30赫兹条件下进行6万次循环后，机器人的升力从初期约3.4毫牛变化至最终约3.1毫牛。研究人员因此将这一测试条件下的典型寿命记为约6万次扑翼，也就是33分钟左右。

所以，这项研究真正向前推进的，是一个更基础的问题——当飞行机器人缩小到亚克级之后，能不能既飞得起来，又不再像精密玻璃仪器一样怕碰、怕撞、怕压？

这一次，研究团队给出的办法是，把驱动器、机翼和机械结构一起做软，把传统传动机构直接删掉。

未来如果机载电源和控制系统能够继续缩小，一批只有昆虫大小、能够在狭窄空间里碰撞、挤压后继续工作的飞行机器人，才可能真正进入环境监测、危险空间探测和搜救等场景。

微型飞行机器人要想飞进现实世界，或许首先要学会的，不是飞得更快。而是被拍下来之后，还能接着飞。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aed8148