发布日期：2025年4月20日 / 更新日期：2025年4月20日 – 作者：Konrad Wolfenstein
RoboBee 等微型机器人的仿生学应用：昆虫着陆技巧如何驱动机器人技术——创意图片：Xpert.Digital
源于自然：仿生学如何拓展机器人技术的边界
微型助手：昆虫机器人征服农业、医疗等领域
数百万年来，大自然已经进化出应对复杂挑战的卓越解决方案。正是自然系统的这种高效性和精妙之处，日益激发着科学家们开发先进机器人技术的灵感。尤其是在微型机器人领域，仿生昆虫技术取得了令人瞩目的突破。特别是，受大蚊和蜜蜂等昆虫启发，微型机器人着陆技术的最新进展，令人印象深刻地展现了大自然如何为创新技术解决方案提供蓝图。.
机器人学中的仿生学基础
仿生学，也称生物技术，是指将自然界的机制和过程系统地应用于技术领域。这种跨学科方法在材料科学、机器人学、可再生能源、医学和信息技术等领域正日益受到关注。科学家们并非简单地逐一复制自然，而是致力于理解其基本原理并将其应用于技术实践中。.
伊尔梅瑙工业大学生物机电一体化系主任哈特穆特·维特解释说，工程师们一直以来都从自然界汲取灵感。仿生学不仅是一种促进和系统化这种联想能力的方法，而且还拓展了技术产品开发的基础。进化造就了完美适应环境的生物体，这些适应性为技术创新提供了宝贵的范例。.
维特解释说，当生物学原理应用于技术领域时，就会发现真正的仿生学并非从外部特征就能识别。它并非简单地模仿外部形态，而是借鉴自然界中已经完善的功能原理。.
适合：
昆虫仿生微型机器人：微型技术奇迹
昆虫体型小巧、效率高、能力卓越，是开发微型机器人的理想模型。它们高度发达的飞行特性、运动机制和适应能力，激发了世界各地的研究人员在技术上复制这些生物系统。.
RoboBee：哈佛大学的飞行微型机器人
最著名的昆虫仿生机器人之一是哈佛大学的RoboBee。这款微型飞行机器人重量仅为十分之一克，翼展仅3厘米。RoboBee由三个主要部分组成：碳纤维机身、超薄机翼以及由一系列智能传感器构成的“大脑”。.
这些翅膀由压电致动器驱动——这是一种人造肌肉，可以将电能转化为运动。这项技术使微型机器人能够像真正的蜜蜂一样飞行、悬停并完成复杂的机动动作。.
更多受昆虫启发而设计的微型机器人实例
加州大学伯克利分校的工程师们研发出一种更小的仿昆虫飞行机器人。它的直径不到1厘米，重量仅21毫克，是世界上最小的可控飞行无线机器人。不过，与RoboBee不同的是，这款机器人利用外部磁场进行推进和控制。.
佐治亚理工学院的仿生学研究人员开发出一种能够模仿蚂蚁行为的微型机器人。这些微型机器人宽仅1.8毫米，厚0.8毫米，重约5毫克。研究人员的设想是：成群的这种电子昆虫可以取代蚂蚁，成为农业中植物授粉的重要工具。.
安全着陆的挑战
飞行微型机器人面临的最大挑战之一是安全着陆。由于它们体积小、重量轻，因此特别容易受到气流湍流和不稳定的影响，尤其是在近地面时。.
RoboBee的着陆问题
“到目前为止，着陆时，我们会在地面上方关闭飞行器，直接将其放下，然后祈祷它能平稳安全地着陆，”哈佛大学研究团队的博士生克里斯蒂安·陈解释道。这种不受控制的着陆方式对机器人的精密压电致动器和脆弱的机翼构成了重大风险，它们很容易因撞击而损坏。.
地面效应——即拍动机翼引起的空气湍流——加剧了这个问题，导致着陆时飞机不稳定。这些空气动力学方面的挑战使得小型飞行机器人难以进行可控着陆。.
受蚊子启发而设计的着陆方案
为了解决这个问题，哈佛大学的科学家们将目光投向了大蚊，这种昆虫的体型与机器蜜蜂RoboBee相似。大蚊拥有长而灵活的腿，能够缓冲冲击力，因此可以在各种表面上优雅地着陆。.
受这种自然模型的启发，研究团队为RoboBee开发了一种新型起落架：四条细长的铰接腿，类似于大蚊的腿。这些腿足够长且灵活，可以确保在机器人主体受到气流湍流影响之前，所有腿都能安全着地。.
除了机械方面的改进，科学家们还借鉴了大蚊的着陆行为，对机器人的飞行控制系统进行了调整。大蚊会从悬停位置加速，然后减速接近着陆目标，并以较低的冲击速度着陆。剩余的冲击能量则由机械起落架吸收。.
微型机器人的替代着陆技术
哈佛大学的研究人员为早期版本的RoboBee机器人开发了另一种受昆虫启发的着陆技术。虽然真正的昆虫通常使用某种粘合剂来吸附在垂直表面上，但研究人员依靠静电吸引力将机器人固定在基底上。这种方法只需少量能量即可将轻型机器人固定到位。.
南京航空航天大学（NUAA）的另一项卓越成果是，研究人员研制出一种兼具飞行和攀爬能力的昆虫机器人。这种机器人可以降落在垂直墙面上，沿着墙面攀爬，然后再次起飞——它已在玻璃、木材、大理石甚至树皮等多种材料上验证了这一能力。.
超越着陆技术的仿生方法
大自然不仅在着陆技术方面，而且在微型机器人的诸多领域都为机器人学家提供了灵感。从运动机制和粘附系统到推进概念——大自然提供了丰富的解决方案。.
先进的运动系统
哈佛大学的一个研究团队开发了一种名为“小狂怒”（Little Fury）的微型昆虫机器人，其“尾巴”的设计灵感来源于跳虫。这款机器人能够跳跃惊人的1.4米，相当于其体长的23倍。它的跳跃机制基于跳虫的“叉骨”，其作用类似于压缩弹簧。.
伊尔梅瑙工业大学生物机电一体化系的研究人员制造了一种小型机器人毛毛虫，它配备了所谓的“壁虎胶带”。这种材料的灵感来源于壁虎、蜘蛛和甲虫的粘附机制，这些动物无需粘合剂即可在垂直表面甚至天花板上行走。.
自主导航和集群行为
仿生机器人技术的另一个重要领域是自主导航。瑞典隆德大学的科学家们基于昆虫的避障行为，开发了一种新型无人机定向系统。观察表明，蜜蜂利用光照强度进行导航并避开障碍物。.
匈牙利的研究人员将昆虫的集群行为移植到无人机上。利用新开发的算法，最多可以有九架无人机编队飞行，从而即使在城市等复杂环境中也能导航。.
适合：
应用潜力和未来前景
受昆虫启发而研发的微型机器人有望在各个领域得到广泛应用。.
农业和环境监测
最引人入胜的潜在应用之一是人工授粉。鉴于全球蜜蜂数量的下降，未来或许有一天，成群的机器蜜蜂可以帮助植物授粉。此外，这些微型机器人还可以用于环境监测，收集大型无人机无法触及的环境数据。.
侦察和灾害救援
由于体积小巧，仿昆虫设计的微型机器人可用于探索狭小空间、倒塌的建筑物或其他复杂环境。在灾区，它们可以在不危及人员安全的情况下提供宝贵信息。.
医疗应用
从长远来看，微型机器人甚至可以应用于医疗领域。成群的微型机器人或许能够在人体内进行诊断甚至治疗。.
当前局限与未来发展
尽管取得了令人瞩目的进展，但仿生昆虫微型机器人仍然面临着诸多挑战。例如，目前 RoboBee 仍需通过电缆与外部控制系统连接，这限制了其移动性。研究人员正致力于将传感器、控制系统和电源小型化，以便将它们直接集成到飞行机器人中。.
这些组件的小型化被认为是微型机器人领域的“三重圣杯”，也带来了巨大的技术挑战。尽管如此，研究人员的愿景却很明确：构建能够在各种环境中执行复杂任务的完全自主的微型机器人集群。.
自然界如同工程师：微型机器人技术的进展
仿生学彻底革新了微型机器人的发展，使工程师能够受益于数百万年的进化优化。例如，RoboBee等微型机器人近年来在昆虫启发式着陆技术方面取得的进展，就令人印象深刻地展现了这种方法的巨大潜力。.
通过模仿自然系统，研究人员不仅开发出了更高效、更强大的机器人，而且还深入了解了生物机制本身。正如博士后研究员、RoboBee研究的合著者艾丽莎·埃尔南德斯解释的那样：“我们可以将这些机器人平台用作生物学研究的工具，并开展检验生物力学假设的研究。”
仿生机器人技术的未来充满无限可能，研究人员不断从大自然取之不尽的灵感源泉中汲取养分，以克服当今时代的技术挑战。从观察自然现象到将其转化为技术应用并非易事，但正如 RoboBee 的成功案例所示，这条道路可以催生突破性的创新，并有可能彻底改变我们生活的方方面面。.
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