太陽能驅(qū)動(dòng)變形的折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器

如同風(fēng)吹動(dòng)種子和樹葉飄落，利用風(fēng)使微型飛行器分散下落，有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器部署的自動(dòng)化。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由美國華盛頓大學(xué)（University of Washington）與法國格勒諾布爾大學(xué)阿爾卑斯分校（Université Grenoble Alpes）LEGI實(shí)驗(yàn)室組成的科研團(tuán)隊(duì)在Science Robotics期刊上發(fā)表了以“Solar-powered shape-changing origami microfliers”為主題的論文。該論文共同第一作者為Kyle Johnson和Vicente Arroyos，通訊作者為Vikram Iyer和Shyamnath Gollakota。

這項(xiàng)研究證實(shí)了通過巧妙設(shè)計(jì)解決挑戰(zhàn)的可行性，并構(gòu)建了太陽能折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器；這種微型飛行器在空中可以通過電子裝置改變其形狀，以實(shí)現(xiàn)無線傳感器的風(fēng)力分散部署（如圖1所示）。研究人員使用雙穩(wěn)態(tài)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了這款折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器，并發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)重要特性：這些折紙結(jié)構(gòu)形狀的簡單改變會(huì)導(dǎo)致兩種截然不同的下落行為（如圖2所示）。

圖1 太陽能驅(qū)動(dòng)變形的折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器

圖2 翻滾狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)（微型飛行器的兩種下落行為）

雙穩(wěn)態(tài)折紙結(jié)構(gòu)

如圖3A所示，研究人員通過組合多個(gè)Miura-ori單元來設(shè)計(jì)折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器。該研究所制造的器件原型的折痕剛度（crease stiffness）是通過使用不同材料以及不同厚度的材料來調(diào)整的，并通過沿折痕線引入切割圖案來降低剛度。隨后，研究人員對(duì)該折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬、跌落測試等實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3B至圖3E所示。

圖3 雙穩(wěn)態(tài)折紙結(jié)構(gòu)及測試結(jié)果

太陽能致動(dòng)器

構(gòu)建在空中實(shí)現(xiàn)翻滾與穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換的折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器，需要在折紙結(jié)構(gòu)、致動(dòng)器與能量收集電路之間進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，這增加了多重設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。因此，研究人員精心設(shè)計(jì)了一種能夠提供微型飛行器所需的線性運(yùn)動(dòng)的電磁致動(dòng)器。圖4A展示了致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，它由直徑2.1 mm的電磁線圈與直徑2.0 mm的微型釹磁鐵構(gòu)成。

圖4 太陽能致動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖及測試結(jié)果

研究人員直接在12.5 μm厚的柔性鍍銅聚酰亞胺片上制造了整個(gè)電路（如圖5A）。這種制造方法可將電子器件與折紙結(jié)構(gòu)直接集成。同時(shí)，研究人員設(shè)計(jì)了輕量化電路（如圖5A和圖5B），由輕量化太陽能電池陣列為電路供能。圖5C展示了能量收集電路從冷啟動(dòng)到驅(qū)動(dòng)器件的整個(gè)運(yùn)行過程。

圖5 太陽能收集和無線電路

最后，研究人員對(duì)該微型飛行器做了戶外評(píng)估測試，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 戶外跌落試驗(yàn)

圖7 微型飛行器在空中和地面的測量

綜上所述，這項(xiàng)研究使用雙穩(wěn)態(tài)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器，并發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)重要的特性：這些折紙結(jié)構(gòu)形狀的簡單改變會(huì)導(dǎo)致兩種截然不同的下落行為（翻滾狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)）。當(dāng)折紙結(jié)構(gòu)展開且平放時(shí)，微型飛行器在風(fēng)中表現(xiàn)出增加橫向位移的翻滾行為；當(dāng)折紙結(jié)構(gòu)向內(nèi)折疊時(shí)，微型飛行器表現(xiàn)出方向穩(wěn)定的垂直下降，較少受到風(fēng)的影響。為了實(shí)現(xiàn)這兩種形狀之間的電子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換，研究人員設(shè)計(jì)了一種低功率的電磁致動(dòng)器，該裝置由太陽能電池供能，可在25 ms內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)200 mN的峰值力。研究人員直接在折疊的折紙結(jié)構(gòu)上制造電路，主要包括可編程微控制器、藍(lán)牙（Bluetooth）無線電設(shè)備、太陽能收集電路、用于估計(jì)高度的壓力傳感器以及溫度傳感器。對(duì)該微型飛行器進(jìn)行的戶外測試結(jié)果表明，414 mg的折紙結(jié)構(gòu)微型飛行器能夠在半空中通過電子裝置改變其形狀，在微風(fēng)中飛行距離達(dá)到98 m，并可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達(dá)60 m，僅需使用從太陽收集的能量。

這項(xiàng)研究獲得了戈登和貝蒂摩爾基金會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金（Moore foundation fellowship）、美國國家科學(xué)基金（ECCS-2054850）、美國國家GEM聯(lián)盟（National GEM Consortium）、谷歌研究學(xué)者獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目（Generational Google Scholar Fellowship Program）、Cadence獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目（Cadence Fellowship Program）、華盛頓美國國家航空航天局太空資助項(xiàng)目（Washington NASA Space Grant Fellowship Program）以及SPEEAACE獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目（SPEEAACE Fellowship Program）的資助和支持。

編輯：黃飛