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感測器/MEMS  

無線遙控背包讓花甲蟲變身無人機

上網時間: 2015年03月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線  花甲蟲  機器人  感測器  無人機 

美國和新加坡的研究人員們攜手合作,利用一種小型背包來刺激甲蟲的肌肉,使其得以用無線的方式遠端控制巨型花甲蟲(可能比飛蛾更大)的飛行。這項研究的目的是希望用在發生自然災害後搜救倖存者,就像美國國防部先進研究計劃署(DARPA)的機器人挑戰賽(Robotics Challenge)一樣,但它也催生了更多針對機器人以及軍方遠端控制昆蟲的其他應用。

「在救災現場利用小型昆蟲的概念一直相當吸引人。例如,配備簡單溫度感測器的昆蟲爬行或飛過碎石堆進行偵察,」負責主導這項研究的美國加州大學柏克萊分校電子工程與電腦科學系副教授Michel Maharbiz表示。

研究人員觀察手中的花甲蟲及其背包等細節
研究人員觀察手中的花甲蟲及其背包等細節。
(來源:Tat Thang Vo Doan & Hirotaka Sato/NTU Singapore)

事實上,從第二次世界大戰以來,美軍一直試圖透過遠端控制動物攜帶麥克風來進行偵察。但直到20世紀電子產品和控制機制發展得更先進以後,才足以使相關計劃順利進行。特別是由於微型處理器、感測器與致動器可內建於僅有幾克重的毫米級無線「背包」後,如今在控制飛蟲方面已取得了實質的進展。

當然,今日的研究人員們已經證明這種動物控制能夠挽救人們的生命,但目前的資金主要來自政府資助。例如,美國國家科學基金會(NSF),以及新加坡三軍總長(CDF)為主導的新加坡南洋助理教授(NAP)協會與科技研究局(A*STAR)。

飛行中的甲蟲背包重量約1.5g
從飛行中的甲蟲看來,在它身上的背包重量夠輕,不至於為其帶來壓力。
(來源:Tat Thang Vo Doan & Hirotaka Sato/NTU Singapore)

研究人員得以在遠端控制這種巨型花甲蟲的關鍵在於找到了可在其飛行中控制精密調整轉向的肌肉。首先,研究人員們製作了一個超小型的背包,用於監測其自然的飛行模式以及啟動轉向的肌肉刺激。在此過程中,研究團隊還修正了1800年以來生物學書籍中認為肌肉只用於著陸時控制翅膀收合的論點。然而,透過偵測飛行中的肌肉,研究人員確認了肌肉的第二項功能在於精確地控制飛行的轉向。

甲蟲在乾涸的河床之間覓食
甲蟲在乾涸的河床之間覓食。
(來源:Tat Thang Vo Doan & Hirotaka Sato/NTU Singapore)

現在,研究團隊打算在其它動物所上採用相同的途徑——先監看其動作模式,掌握其肌肉的功能,然後再設計一款可依需要控制功能的背包。「我的實驗室主要著重於蝗蟲,這項研究是由博士後研究員Joshua van Kleef所主導,」Maharbiz表示。

花甲蟲在充滿綠葉的自然棲息地爬行
花甲蟲在充滿綠葉的自然棲息地爬行。
(來源:Tat Thang Vo Doan & Hirotaka Sato/NTU Singapore)

前幾代的生物學家並不瞭解動物的每一塊肌肉是如何運作的——尤其是實現飛行的肌肉,當時也還沒有無線技術來協助自由飛行。相反地,由於肌肉運動彼此之間相互牽制,使其幾乎無法區隔出自然的肌肉運動與人為的補償動作。因此,在這項研究中,生物學家稱這種無線背包為Mecynorrhina巨型花甲蟲的第三腋片(3Ax)肌肉。

花甲蟲飛回實驗室為背包充電
花甲蟲飛回實驗室,準備為其背包充電。
(來源:Tat Thang Vo Doan & Hirotaka Sato/NTU Singapore)

巨型花甲蟲的重量約8克,配備電池的整個無線背包重量約僅1.5克。此外,背包中還裝載了6個連接至甲蟲光瓣與飛行肌肉的電極,這些元件都利用1顆3.9V的鋰電池供電,同時僅以大約1,000Hz的低頻訊號傳送至背包。

由加州柏克萊大學與新加坡南洋理工學院(NTU)攜手進行的這項「賽博格」(Cyborg;機械化有機體)昆蟲研究,透過無線射頻訊號記錄昆蟲飛行與轉向時的肌肉數據,並利用這些資訊來改善在遠端控制飛行轉向的精確度,不僅讓研究人員得以更精確地控制昆蟲的飛行與轉向,同時也啟發了更多新應用。

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編譯:Susan Hong

(參考原文:Insects Harnassed for Surveillance; Tiny backpack turns beetles into drones,by R. Colin Johnson)





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