【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院工程力學系顏志淼副教授與王本龍教授團隊在《自然通訊》(Nature Communications)上發(fā)表了題為“Avian-inspired embodied perception in biohybrid flapping-wing robotics”的論文，發(fā)展了一種受鳥類啟發(fā)的生物混合撲翼機器人具身感知技術(shù)，基于羽毛的振動結(jié)構(gòu)和柔性壓電材料作為機械感受器，利用深度學習實現(xiàn)了包括撲頻、風速、俯仰角在內(nèi)的多飛行參數(shù)識別，并通過無系繩飛行實驗進行驗證，在撲翼機器人中構(gòu)建了一個生物材料-智能材料集成的具身感知系統(tǒng)。
 

　　鳥類非凡的飛行敏捷性在很大程度上歸功于它們的多自由度翅膀結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整翅膀運動，鳥類可以實現(xiàn)復雜的空中行為，如高效的巡航、靈活的轉(zhuǎn)彎和快速的俯沖。除了靈活的機翼骨架外，翅膀表面獨特的羽毛排列也在鳥類飛行中起著關(guān)鍵作用。鳥類羽毛和翅膀變形行為之間的高度適配性激發(fā)了人們對具有高機動性、敏捷性和隱蔽性的羽翼式撲翼飛行器的興趣。然而，在嚴格的自重限制下模擬鳥類的飛行感知仍然具有挑戰(zhàn)性。
 

　　軀體感覺在控制和調(diào)節(jié)生物體的軀干和四肢中起著至關(guān)重要的作用。作為軀體感覺的組成部分，觸覺和本體感覺反饋都是必不可少的。觸覺感知賦予生物體感知外部壓力、振動和溫度濕度變化的能力，而本體感覺則提供有關(guān)身體運動和位置的信息。這兩種感覺模式，截然不同但錯綜復雜地相互關(guān)聯(lián)，共同調(diào)節(jié)生物體的感知系統(tǒng)，這也為機器人感知提供了靈感。類似于脊椎動物皮膚中感知表面壓力和振動的機械感受器，PVDF 壓電材料也對壓力和振動表現(xiàn)出快速而強大的響應，F(xiàn)eather-PVDF 生物混合機械感受器用作飛行器翅膀的傳感介質(zhì)，能夠起到類似感覺神經(jīng)的作用，提供感覺和運動的反饋。
 

　　本工作利用天然羽毛的生物材料和結(jié)構(gòu)來增強機械感知的差異化，集成輕質(zhì)的PVDF 薄膜來模擬鳥類翅膀機械感受器的功能。探究了Feather-PVDF生物混合機械感受器的異質(zhì)界面連接特性，包括剝離強度、疲勞耐久性和機電特性。基于受鳥類啟發(fā)的羽翼式的撲翼機器人(FWR)，我們建立了一個生物混合感知系統(tǒng)，在包括撲頻、風速、俯仰角和翅膀形狀的不同工況下采集相應的電壓信號，采用滑窗方法進行數(shù)據(jù)裁剪，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對各飛行參數(shù)的智能識別，并驗證了在時序變頻撲動行為下的識別準確性。
 

　　為進一步證實生物混合具身感知方法在實際飛行環(huán)境中的可行性，本工作開發(fā)了一架羽翼式撲翼飛行器，能夠?qū)崿F(xiàn)無系繩飛行。該飛行器包括齒輪驅(qū)動機構(gòu)、飛行控制板、壓電信號采集和高阻抗無線傳輸模塊和羽翼式翅膀，總質(zhì)量約為 28.5 g，其中PVDF僅占總質(zhì)量的 0.79%。我們完成了在無系繩飛行下的拍打頻率、相對流速和俯仰角的感知，在室內(nèi)飛行當中展現(xiàn)了良好的飛行參數(shù)識別效果，這種生物混合體感知設(shè)計有助于微型撲翼飛行器的飛行狀態(tài)監(jiān)測和反饋控制，為更輕、集成度更高、更隱蔽的仿生撲翼飛行器發(fā)展提供了新的思路。
 

　　該具身感知系統(tǒng)在基于反饋的復雜飛行動作控制和自然鳥類飛行監(jiān)視方面具有重要前景。該論文第一作者李騫是工程力學系碩士研究生，上海交通大學為論文唯一署名單位。李騫基于該研究所衍生出來的智能感知撲翼飛行器以及壓電復合層壓工藝，形成研究作品，參加2024年中國國際大學生創(chuàng)新大賽上海賽區(qū)比賽并獲得金獎。