丰田研究人员打造出昆虫大小的无人机
丰田中央研发实验室的研究人员研制出一款昆虫大小、可扑翼飞行的空中机器人，它采用无线射频技术供电。这款无人机的研究论文发表于《Nature Electronics》，其核心是一台射频能量接收器，功率密度达到每千克4900瓦。
“小型无人机通常因电源限制而续航时间很短。我们这项最新研究的目标就是突破这一限制。目前，利用电磁波的非接触式供电已在各类产品中得到实际应用，但它在小型飞行机器人上的适用程度尚不清楚”
小尾及其同事的主要目标是利用非接触式无线充电技术，驱动一款昆虫大小的飞行机器人。该研究人员打造的机器人主要由一个振荡压电致动器构成，由一根5吉赫兹偶极天线供电。
“昆虫大小的飞行器是通信、环境探测和密闭空间检查的有用工具。然而，缺乏高功率密度的轻型电池限制了这类微型飞行器的飞行时间。利用射频电磁波进行无线输电，有可能实现穿越障碍物、波束导向与聚焦，以及通过相控阵天线对飞行器进行非机械控制。但射频输电的应用至今仍局限于较大的飞行器”，该研究报告称。
“我们这款机器人的一大关键特点，是通过采用高功率单晶压电材料和低损耗布局，实现了高效的扑翼驱动：两片翅膀相对而置，像拍手一样。这种设计所达到的功率重量比，可与活体昆虫的效率相媲美”
工程师在制造微型机器人时面临的一个关键难题是，功率损耗引发的热失控。为克服这一问题，小尾及其同事优化了机器人的电路设计，确保发热元件不会彼此靠近或相邻放置。
此外，研究人员采用的射频能量接收器，其功率密度远高于同等质量的标准锂聚合物电池。这显著提升了机器人的效率和续航时间。
“我认为，本研究最重要的发现是：一个亚克级电路能够在一定距离外通过射频波接收并处理超过1瓦的高功率。这表明，不仅是飞行机器人，各种其他需要在小体积下获得大功率的设备，也有可能在无电池的情况下实现”
为评估设计效果，小尾及其同事进行了一系列实验。在这些测试中，他们成功让这台昆虫大小的机器人平稳起飞，且无需电池或电线。
该团队研制的这台机器人重量仅1.8克，比以往开发的其他射频驱动微型飞行器轻了25倍以上。因此，它未来可能非常适合执行复杂任务，例如进入裂缝、管道或其他极为狭窄的空间。
“在本文中，我们成功演示了起飞。下一步是将这种供电技术与姿态控制相结合，使该机器人能够在空中悬停并自由移动。我们认为这在技术上是可行的，因为我们此前已经能够通过有线供电来控制机器人的位置”
微型飞行器（MAV）有望用于环境探测、通信、搜索救援，以及对密闭或危险区域的自主巡检。然而，由于事故风险，此类设备的监管正在收紧。例如，在美国，重量超过250克的无人机必须注册，且无人机飞行区域受到严格限制。
日本近日也宣布，小型无人机的监管重量门槛将从200克降至100克。特别是考虑到下落飞行器的碰撞能量在很大程度上取决于其质量，通过设计和研发轻型昆虫大小的装置，可以提升微型飞行器的安全性。
研究人员认为，通过优化飞行器设计并增加新功能，可以实现质量与昆虫相当、完全自主且不受线缆约束的微型飞行器。这些功能包括集成飞行控制系统，以及为能量发射器配备波束聚焦/导向系统。
