充气式软体无人机实现弹跳和栖息，而不是坠毁和悬停

一种软体空中机器人，具有碰撞弹性和软着陆的栖息方式

【导读】：

亚利桑那州立大学副教授张文龙和他的团队开发了一种首款四旋翼无人机，既有充气框架，可以抵御碰撞，又有创新的抓手，使设备能够安全地栖息在几乎任何表面上。提出并开发了一种轻型，充气，软体的空中机器人（SoBAR），它可以气动改变其身体刚度以实现固有的碰撞弹性。与传统的刚性空中机器人不同，SoBAR成功地展示了其反复承受和从各个方向的碰撞中恢复的能力，而不仅限于平面内的碰撞。

土耳其和叙利亚大地震等灾难后的搜救工作是与时间的赛跑。应急响应小组需要快速识别建筑瓦砾中可能被困幸存者的空隙或空间，并在天然气泄漏、水管洪水或移动混凝土板造成损失之前。

先进技术在这些恢复操作中起着至关重要的作用。部署热成像设备和灵敏的监听设备以寻找生命迹象。小型空中无人机也可以勘测原本无法进入的空间，但当前设计的固有脆弱性限制了它们的使用。

“我们看到无人机被用来评估高空的损坏，但它们无法真正在倒塌的建筑物中导航，”亚利桑那州立大学Ira A. Fulton工程学院的副教授和机器人专家张文龙说。“它们的刚性框架会损害对碰撞的抵抗力，因此在失事的结构中撞到柱子、横梁、管道或电缆通常是灾难性的。他们不会恢复;他们崩溃了。

张说，空中无人机需要忍受撞击和颠簸，才能发挥其搜救行动的潜力。为此，他和他的实验室团队设计并测试了首款带有充气框架的四旋翼无人机。独特的是，它的刚度是可调的或可调节的，以吸收和恢复意外的敲击和重击。他们的工作成果已发表在技术期刊Soft Robotics上。

“我们需要改变对避免环境接触的关注。无人机需要与周围环境进行物理交互才能完成一系列任务，“张说。“柔软的车身不仅可以吸收冲击力以提供碰撞弹性;它还提供了动态操作（如栖息）所需的材料合规性。

栖息是受控碰撞的一个例子。从技术上讲，鸟类在着陆和栖息时会与树枝或其他结构相撞。它们顺应的关节和软组织吸收冲击力，脚部的被动锁定机构使它们能够抓住不规则的表面，而无需使用肌肉能量将它们固定到位。

张和他的团队从这个鸟类模型中汲取灵感，为他们的新无人机设计了一种基于混合织物的双稳态抓取器。双稳态意味着它有两种无动力的静止状态：打开和关闭。它只是通过扣合并牢固地抓住各种形状和大小的物体来对着陆的冲击做出反应。

“它几乎可以栖息在任何东西上。此外，双稳态材料意味着它不需要执行器来提供动力来保持其栖息。它只是关闭并保持这样，不消耗任何能量，“张说。“然后在需要时，抓手可以气动缩回，无人机可以起飞。

这种接触反应、无动力的栖息对于现场的持续作业非常重要。无人机可以将自己定位在需要的地方，然后关闭转子以节省电池电量。

SoBAR的整体运营方案。（A）基于飞行和动态碰撞的栖息序列。所使用的机织织物在显微镜下突出显示。放大倍数为40×，光圈为0.65。（B） HFB抓取器从直梁（栖息前）到卷曲（栖息）再到恢复状态（栖息后的气动恢复）运行。（C）软体框架从放气储存状态到充气和刚性状态。（四）与SoBAR正面碰撞。（E） 执行器的抓取顺序需要 4 秒，并利用气动驱动在 ∼3 秒内反冲。 （F） 设置和组装 SoBAR 大约需要 4  分钟。 （G） 动态栖息到恢复到着陆顺序 SoBAR。HFB，基于混合织物的双稳态;SoBAR，软体空中机器人。

SoBAR和HFB执行器的制造过程。

（A） SoBAR的制造步骤。（i） 激光切割后，首先对齐机织织物和热封致动器。然后沿着边缘缝制机织织物片，利用叠加的接缝，并插入热封致动器，以创建柔软的框架。（ii） 接下来，在充气软体框架上添加气动连接器和三维印刷电机支架并对齐。（iii） 最后，安装螺旋桨和电机副、电子设备和栖息机构。（iv） 由多个HFB致动器制成的可能的栖息机构方向 （B）HFB致动器的制造。（i）首先，通过切割和成型弹簧钢金属来制备卷曲双稳态机构。（ii）接下来，沿其凸面卷曲双稳态带簧，并限制该位置至少30分钟。 （iii）卷曲双稳态胶带弹簧。（iv） 最后，对齐机织织物、热封 TPU 执行器、TPU 涂层尼龙、三个带状弹簧和 3M 握把材料，以创建一个 HFB 执行器。

张说，这种动态的环境相互作用可以增强无人机在搜救行动中的使用，也可以用于其他目的，例如监测森林火灾，协助军事侦察甚至探索其他星球的表面。