充氣式軟體無人機實現彈跳和棲息，而不是墜毀和懸停

一種軟體空中機器人，具有碰撞彈性和軟著陸的棲息方式

【導讀】：

亞利桑那州立大學副教授張文龍和他的團隊開發了一種首款四旋翼無人機，既有充氣框架，可以抵御碰撞，又有創新的抓手，使設備能夠安全地棲息在幾乎任何表面上。提出并開發了一種輕型，充氣，軟體的空中機器人（SoBAR），它可以氣動改變其身體剛度以實現固有的碰撞彈性。與傳統的剛性空中機器人不同，SoBAR成功地展示了其反復承受和從各個方向的碰撞中恢復的能力，而不僅限于平面內的碰撞。

土耳其和敘利亞大地震等災難后的搜救工作是與時間的賽跑。應急響應小組需要快速識別建筑瓦礫中可能被困幸存者的空隙或空間，并在天然氣泄漏、水管洪水或移動混凝土板造成損失之前。

先進技術在這些恢復操作中起著至關重要的作用。部署熱成像設備和靈敏的監聽設備以尋找生命跡象。小型空中無人機也可以勘測原本無法進入的空間，但當前設計的固有脆弱性限制了它們的使用。

“我們看到無人機被用來評估高空的損壞，但它們無法真正在倒塌的建筑物中導航，”亞利桑那州立大學Ira A. Fulton工程學院的副教授和機器人專家張文龍說。“它們的剛性框架會損害對碰撞的抵抗力，因此在失事的結構中撞到柱子、橫梁、管道或電纜通常是災難性的。他們不會恢復;他們崩潰了。

張說，空中無人機需要忍受撞擊和顛簸，才能發揮其搜救行動的潛力。為此，他和他的實驗室團隊設計并測試了首款帶有充氣框架的四旋翼無人機。獨特的是，它的剛度是可調的或可調節的，以吸收和恢復意外的敲擊和重擊。他們的工作成果已發表在技術期刊Soft Robotics上。

“我們需要改變對避免環境接觸的關注。無人機需要與周圍環境進行物理交互才能完成一系列任務，“張說。“柔軟的車身不僅可以吸收沖擊力以提供碰撞彈性;它還提供了動態操作（如棲息）所需的材料合規性。

棲息是受控碰撞的一個例子。從技術上講，鳥類在著陸和棲息時會與樹枝或其他結構相撞。它們順應的關節和軟組織吸收沖擊力，腳部的被動鎖定機構使它們能夠抓住不規則的表面，而無需使用肌肉能量將它們固定到位。

張和他的團隊從這個鳥類模型中汲取靈感，為他們的新無人機設計了一種基于混合織物的雙穩態抓取器。雙穩態意味著它有兩種無動力的靜止狀態：打開和關閉。它只是通過扣合并牢固地抓住各種形狀和大小的物體來對著陸的沖擊做出反應。

“它幾乎可以棲息在任何東西上。此外，雙穩態材料意味著它不需要執行器來提供動力來保持其棲息。它只是關閉并保持這樣，不消耗任何能量，“張說。“然后在需要時，抓手可以氣動縮回，無人機可以起飛。

這種接觸反應、無動力的棲息對于現場的持續作業非常重要。無人機可以將自己定位在需要的地方，然后關閉轉子以節省電池電量。

SoBAR的整體運營方案。（A）基于飛行和動態碰撞的棲息序列。所使用的機織織物在顯微鏡下突出顯示。放大倍數為40×，光圈為0.65。（B） HFB抓取器從直梁（棲息前）到卷曲（棲息）再到恢復狀態（棲息后的氣動恢復）運行。（C）軟體框架從放氣儲存狀態到充氣和剛性狀態。（四）與SoBAR正面碰撞。（E） 執行器的抓取順序需要 4 秒，并利用氣動驅動在 ～3 秒內反沖。 （F） 設置和組裝 SoBAR 大約需要 4  分鐘。 （G） 動態棲息到恢復到著陸順序 SoBAR。HFB，基于混合織物的雙穩態;SoBAR，軟體空中機器人。

SoBAR和HFB執行器的制造過程。

（A） SoBAR的制造步驟。（i） 激光切割后，首先對齊機織織物和熱封致動器。然后沿著邊緣縫制機織織物片，利用疊加的接縫，并插入熱封致動器，以創建柔軟的框架。（ii） 接下來，在充氣軟體框架上添加氣動連接器和三維印刷電機支架并對齊。（iii） 最后，安裝螺旋槳和電機副、電子設備和棲息機構。（iv） 由多個HFB致動器制成的可能的棲息機構方向 （B）HFB致動器的制造。（i）首先，通過切割和成型彈簧鋼金屬來制備卷曲雙穩態機構。（ii）接下來，沿其凸面卷曲雙穩態帶簧，并限制該位置至少30分鐘。 （iii）卷曲雙穩態膠帶彈簧。（iv） 最后，對齊機織織物、熱封 TPU 執行器、TPU 涂層尼龍、三個帶狀彈簧和 3M 握把材料，以創建一個 HFB 執行器。

張說，這種動態的環境相互作用可以增強無人機在搜救行動中的使用，也可以用于其他目的，例如監測森林火災，協助軍事偵察甚至探索其他星球的表面。