具有集成传感功能的高推力超轻离子推进微机器人的可控飞行

《Nature Communications》：Controlled flight of high-thrust ultralight ion-propelled microrobot with integrated sensing

　　

摘要

离子风技术有望用于实现飞行微型机器人的小型化，它无需机械运动部件即可产生推力，从而使设计更加简化且重量更轻，同时无需使用高频执行器。然而，两个根本性的挑战限制了该技术的实际应用：有效载荷能力不足以及可控性欠佳，尤其是在多自由度飞行中。在此，我们展示了一种基于惯性测量单元的闭环控制飞行系统，用于操控一只重量仅为36.7毫克的离子推进微型机器人，该机器人实现了5:1的推重比，并且能够在没有机械执行器的情况下持续悬停1小时。实验结果表明，这种控制策略提升了稳定性，俯仰角和滚转角的均方根误差分别降低了83.11%和89.21%。通过采用受折纸启发的设计以及成本较低的金属聚合物复合材料，我们的制造方法能够以较低的成本快速组装复杂的微型机器人，从而克服了实际集群部署中的关键障碍。该微型机器人具备较高的负载能力，可以携带高精度图像传感器和光纤布拉格光栅传感器，同时还具有足够的机动性，能够完成环境监测和材料识别等预定任务。这项工作提出了一种自主微型机器人集群飞行方案，有望在狭小空间监测、灾难救援以及危险环境探测等领域得到应用。