仿生蝙蝠(三):能走擅飛的機器蝙蝠DALER

 
2017/07/26 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
吸血蝠啟發設計空陸兩用探測機器蝙蝠DALER(繪製者:黃正文)。 吸血蝠(Desmodus rotundus)為能走擅飛的吸血蝙蝠(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 吸血蝠啟發設計空陸兩用探測機器蝙蝠DALER(繪製者:黃正文)。
  • 吸血蝠(Desmodus rotundus)為能走擅飛的吸血蝙蝠(圖片來源:歐陽盛芝)。
 

瑞士與義大利科學家模仿吸血蝠(Desmodus rotundus)除了飛行、還能在地面行走的特性,開發可展開式空陸兩用探測機器蝙蝠DALER(Deployable Air-Land Exploration Robot),翼展72公分、重393公克,機翼可摺疊部分長度分別是6、11、17公分,最小收縮區段到6公分,對應至翼展減少30%,機翼摺疊縮小後至翼身寬度僅50公分,步行的最大步幅為6公分,可穿越9公分縫隙,行走在木質地板上的最大向上坡度為9度,最大旋轉角度每秒24度,15秒可完成360度完整旋轉;在空中的巡航速度為每秒12公尺,可飛20分鐘,最大俯仰和滾轉角度分別為每秒120度和180度。

 

DALER將可攜帶攝影鏡頭和偵測設備,走到障礙物底下,快速行進空中看不見的特定區域,擴展地面覆蓋範圍,搜索受困在塌陷建築物中的受害者,或進行危險環境監測、繪製地圖等任務,研究成果由洛桑聯邦理工學院(École polytechnique fédérale de Lausanne)佛洛里阿諾(Dario Floreano)教授與比薩聖安娜高等大學(Scuola Superiore SantõAnna)合組的跨國研究團隊於2015年1月發表在《生物靈感與仿生學》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊。

 

吸血蝠是小型夜行性蝙蝠,平均體長約9公分,翼展約32-35公分,體重約25-40公克,屬於葉口蝠科(Phyllostomidae)。只吸食血液,尤其偏好牛、馬等哺乳動物,也會吸食鳥血,找到獵物時會利用鼻子的紅外線熱敏感器找到血管,以特化成刀狀的上犬齒切開獵物皮膚,用舌頭舔吸血液,每晚吸血量能超過體重的一半,一隻吸血蝠一生中可吸食約100公升的血液;其分布於中南美洲的熱帶和亞熱帶地區,具有良好的視覺、嗅覺、和聽覺,飛行能力很強,會張開嘴巴發出超音波進行回聲定位,可辨識距離50公分、寬度1公分金屬條,並能以特殊步態在地面迅速行走、跑步、和跳躍。

 

研究團隊受到吸血蝠的啟發,曾於2013年設計能以機翼當成腿在地面運動的無人機,飛行時鎖定機翼位置,控制飛行方向和高度,一旦降落地面,機翼解鎖,翼尖開始如輪軸般繞著機身旋轉,帶動機身在地面緩慢爬行,這種兩用構造稱為輪腿或翼腿(wheel-legs or wing-legs,簡稱Whegs),不必額外增加重量,就讓機器人增加爬越地面障礙物的運動功能。

 

新款機器蝙蝠DALER充分運用適應形態學,在空中可展開機翼飛翔,降落時旋轉翼尖變為姿態控制系統,使其在不犧牲重量或結構效率下,增加地面運動功能,設計優點在於可摺疊的骨架讓機翼能快速展開和收攏,翼端能在飛行期間控制機器蝙蝠的俯仰和搖擺,摺疊的機翼增加翼端的抓地力,並當作搖臂產生動力,增強地面的運動效率和靈活度,還可收縮機翼擠壓到原本無法到達的地方。在空中的飛行速度為每秒6-20公尺,降落後能自行調整位置,再順利重新起飛,大幅提升小型無人機起降後的「存活率」;著陸時會展開機翼並像輪翼一樣旋轉,做出行走的動作,在平坦木質地板的最大前進度速度為每秒7公分,可持續約60分鐘,在崎嶇的地形則可行走約30分鐘,明顯提升著陸後對不同地形的適應能力。

 

DALER由兩個獨立的驅動系統分別控制飛行和地面運動,機體重量採最小化設計,提供有效飛行的足夠剛度,骨架具中心框架和以碳纖維桿連接的多根肋條,表面包覆不可延伸、耐磨損的Icarex超薄防水聚酯布(polyester fabric)作為機殼;電纜連接彈簧負責機翼摺疊,機翼展開時拉動彈簧和拉緊Icarex表布避免顫動,可提升飛行效率,彈簧還可吸收能量減輕撞機造成的損壞,以每秒8.4公尺的碰撞速度測試,每個彈簧可吸收的最大能量為12.5焦耳(J=1Nm,施加1牛頓力經過1公尺距離所需的能量),只要1-2秒內即可使機翼變形。研究團隊未來將研發懸停飛行、垂直飛行、和自動起降等功能,優化依任務需求調整不同翼展和翼長等幾何參數的機型,以延長運作時間或增加自動充電等功能。

 

(以上新聞編譯自2015年1月19日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Daler, L., S. Mintchev, C. Stefanini, and D. Floreano. 2015. A bioinspired multi-modal flying and walking robot. Bioinspiration & Biomimetics, 10(2015) : 016005-1-14.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Ackerman, E. 2015. Flying, walking vampire bat robot is back. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, January 22, 2015.
     
 
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