【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院工程力學(xué)系顏志淼副教授與王本龍教授團(tuán)隊(duì)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(jī)器人具身感知技術(shù)，基于羽毛的振動(dòng)結(jié)構(gòu)和柔性壓電材料作為機(jī)械感受器，利用深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了包括撲頻、風(fēng)速、俯仰角在內(nèi)的多飛行參數(shù)識(shí)別，并通過無系繩飛行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在撲翼機(jī)器人中構(gòu)建了一個(gè)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(yùn)動(dòng)，鳥類可以實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jī)翼骨架外，翅膀表面獨(dú)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(duì)具有高機(jī)動(dòng)性、敏捷性和隱蔽性的羽翼式撲翼飛行器的興趣。然而，在嚴(yán)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(dòng)和溫度濕度變化的能力，而本體感覺則提供有關(guān)身體運(yùn)動(dòng)和位置的信息。這兩種感覺模式，截然不同但錯(cuò)綜復(fù)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(jī)器人感知提供了靈感。類似于脊椎動(dòng)物皮膚中感知表面壓力和振動(dòng)的機(jī)械感受器，PVDF 壓電材料也對(duì)壓力和振動(dòng)表現(xiàn)出快速而強(qiáng)大的響應(yīng)，F(xiàn)eather-PVDF 生物混合機(jī)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)機(jī)械感知的差異化，集成輕質(zhì)的PVDF 薄膜來模擬鳥類翅膀機(jī)械感受器的功能。探究了Feather-PVDF生物混合機(jī)械感受器的異質(zhì)界面連接特性，包括剝離強(qiáng)度、疲勞耐久性和機(jī)電特性。基于受鳥類啟發(fā)的羽翼式的撲翼機(jī)器人(FWR)，我們建立了一個(gè)生物混合感知系統(tǒng)，在包括撲頻、風(fēng)速、俯仰角和翅膀形狀的不同工況下采集相應(yīng)的電壓信號(hào)，采用滑窗方法進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各飛行參數(shù)的智能識(shí)別，并驗(yàn)證了在時(shí)序變頻撲動(dòng)行為下的識(shí)別準(zhǔn)確性。
 

　　為進(jìn)一步證實(shí)生物混合具身感知方法在實(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)、飛行控制板、壓電信號(hào)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(duì)流速和俯仰角的感知，在室內(nèi)飛行當(dāng)中展現(xiàn)了良好的飛行參數(shù)識(shí)別效果，這種生物混合體感知設(shè)計(jì)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(fù)雜飛行動(dòng)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(xué)系碩士研究生，上海交通大學(xué)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(fù)合層壓工藝，形成研究作品，參加2024年中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽上海賽區(qū)比賽并獲得金獎(jiǎng)。