太阳能驱动变形的折纸结构微型飞行器

如同风吹动种子和树叶飘落，利用风使微型飞行器分散下落，有助于实现大规模传感器部署的自动化。

据麦姆斯咨询报道，近日，由美国华盛顿大学（University of Washington）与法国格勒诺布尔大学阿尔卑斯分校（Université Grenoble Alpes）LEGI实验室组成的科研团队在Science Robotics期刊上发表了以“Solar-powered shape-changing origami microfliers”为主题的论文。该论文共同第一作者为Kyle Johnson和Vicente Arroyos，通讯作者为Vikram Iyer和Shyamnath Gollakota。

这项研究证实了通过巧妙设计解决挑战的可行性，并构建了太阳能折纸结构微型飞行器；这种微型飞行器在空中可以通过电子装置改变其形状，以实现无线传感器的风力分散部署（如图1所示）。研究人员使用双稳态叶片结构设计了这款折纸结构微型飞行器，并发现了一项重要特性：这些折纸结构形状的简单改变会导致两种截然不同的下落行为（如图2所示）。

图1 太阳能驱动变形的折纸结构微型飞行器

图2 翻滚状态和稳定状态（微型飞行器的两种下落行为）

双稳态折纸结构

如图3A所示，研究人员通过组合多个Miura-ori单元来设计折纸结构微型飞行器。该研究所制造的器件原型的折痕刚度（crease stiffness）是通过使用不同材料以及不同厚度的材料来调整的，并通过沿折痕线引入切割图案来降低刚度。随后，研究人员对该折纸结构进行了运动学模拟、跌落测试等实验，结果如图3B至图3E所示。

图3 双稳态折纸结构及测试结果

太阳能致动器

构建在空中实现翻滚与稳定状态转换的折纸结构微型飞行器，需要在折纸结构、致动器与能量收集电路之间进行协同设计，这增加了多重设计的挑战。因此，研究人员精心设计了一种能够提供微型飞行器所需的线性运动的电磁致动器。图4A展示了致动器的结构示意图，它由直径2.1 mm的电磁线圈与直径2.0 mm的微型钕磁铁构成。

图4 太阳能致动器结构示意图及测试结果

研究人员直接在12.5 μm厚的柔性镀铜聚酰亚胺片上制造了整个电路（如图5A）。这种制造方法可将电子器件与折纸结构直接集成。同时，研究人员设计了轻量化电路（如图5A和图5B），由轻量化太阳能电池阵列为电路供能。图5C展示了能量收集电路从冷启动到驱动器件的整个运行过程。

图5 太阳能收集和无线电路

最后，研究人员对该微型飞行器做了户外评估测试，结果如图6和图7所示。

图6 户外跌落试验

图7 微型飞行器在空中和地面的测量

综上所述，这项研究使用双稳态叶片结构设计了折纸结构微型飞行器，并发现了一项重要的特性：这些折纸结构形状的简单改变会导致两种截然不同的下落行为（翻滚状态和稳定状态）。当折纸结构展开且平放时，微型飞行器在风中表现出增加横向位移的翻滚行为；当折纸结构向内折叠时，微型飞行器表现出方向稳定的垂直下降，较少受到风的影响。为了实现这两种形状之间的电子驱动转换，研究人员设计了一种低功率的电磁致动器，该装置由太阳能电池供能，可在25 ms内产生高达200 mN的峰值力。研究人员直接在折叠的折纸结构上制造电路，主要包括可编程微控制器、蓝牙（Bluetooth）无线电设备、太阳能收集电路、用于估计高度的压力传感器以及温度传感器。对该微型飞行器进行的户外测试结果表明，414 mg的折纸结构微型飞行器能够在半空中通过电子装置改变其形状，在微风中飞行距离达到98 m，并可实现蓝牙无线数据传输，传输距离可达60 m，仅需使用从太阳收集的能量。

这项研究获得了戈登和贝蒂摩尔基金会奖学金（Moore foundation fellowship）、美国国家科学基金（ECCS-2054850）、美国国家GEM联盟（National GEM Consortium）、谷歌研究学者奖学金项目（Generational Google Scholar Fellowship Program）、Cadence奖学金项目（Cadence Fellowship Program）、华盛顿美国国家航空航天局太空资助项目（Washington NASA Space Grant Fellowship Program）以及SPEEAACE奖学金项目（SPEEAACE Fellowship Program）的资助和支持。

编辑：黄飞