靠爆炸飞上天！水下机器人空中每秒飞行11米

本周发表于《ScienceRobotics》的一篇论文中，伦敦帝国学院的研发团队和AquaMAV公司的机器人专家展示了一种水空两用的机器人。这种机器人通过瓦斯爆炸产生的推力从水中向空中移动，能够在空中上升到26米，并以11米每秒的速度前进。对于气动式机器人来说，如何在需要大量压力的时候高效的按需产生气体，是一个挑战。现在，伦敦帝国学院的研发团队通过爆炸产生推力的方式解决了这个问题。一、爆炸将无人机推向26米高空其实早在ICRA2015上，伦敦帝国学院的空中机器人实验室就提出了一个叫做AquaMAV的多模态飞行游泳机器人的概念。飞行和游泳机器人真正困难的不是从空中到水中的过程，因为即使机器人已经完全失去动力，由于重力也可以落入水中。而从水中到空中，则需要更加稳定的动力。研究人员尽可能多的集中力量来解决这个问题，使用喷射推进将机器人迅速推出水面。

2015年版本的AquaMAV，主要是一些非常复古的电脑效果图和一些硬件，使用一个小的二氧化碳缸来驱动它的水喷射推进器。这种方法非常有效，但是压缩气体的存储和释放机制的质量和复杂性对于一个长期自主飞行的机器人来说并不那么实用。爆炸，是一种可以同时产生大量的加压气体的方法。以前也有机器人使用过爆炸推力来移动，只要能正确的控制爆炸，并产生燃料，这种方法就是非常有效的。最新版本的AquaMAV后部喷出的水流是由瓦斯爆炸推动的。气体来自机器人内部储存的少量碳化钙粉末与水的反应。水一滴一滴地与粉末混合，生产乙炔气体，将其与空气和水一起通过管道输送到燃烧室中，点燃后乙炔空气混合物爆炸，迫使水流出燃烧室，提供51N的推力，足以将160克重的机器人发射到26米高空，以每秒11米的速度飞越水面。每次爆炸只需要50毫克的碳化钙，与3滴水混合就可以产生足够的乙炔。空气和水都很容易获得，机器人上可以携带0.2克的碳化钙粉末，它有足够的燃料进行多次跳跃，而且跳跃的力量足以让机器人在相当恶劣的海况下也能在空中飞行。二、调节机器人质心保持飞行平衡提供足够的推力只是一个问题，需要解决的问题还包括让机器人在控制保持平衡的机翼。机器人本身的总体设计也是一个挑战，因为机器人的最佳设计和平衡在每个操作阶段都有很大不同。为了是AquaMAV在喷射阶段以稳定的方式飞行，质心必须在飞行器压力中心前方相当一段距离。但是，为了在水面上保持一个稳定的浮动位置和在喷射过程中所需的角度，质心必须位于浮力中心的后面。对于滑翔阶段，为了确保纵向飞行稳定性，必须在质心和压力中心之间达到良好的平衡。在滑翔过程中，质心应该从机翼的压力中心稍微向前。AquaMAV目前的版本，主要针对飞行的喷射阶段进行了优化，还没有任何主动的飞行控制界面，但研究人员乐观地认为，如果他们增加一些，让机器人自主飞行就没有问题了。目前AquaMAV还只是一架滑翔机，接下来，研发团队将给机器人安装一个低功率的螺旋桨。为了实现水上和空中更有效的运动，还将安装一个可切换的变速箱。结语：飞行游泳机器人可用于水中取样任务伦敦理工学院研发的多模态飞行游泳机器人，通过化学反应产生的爆炸提供动能，可以使机器人从水中上升到空中，并稳定飞行。解决了气动式机器人如何产生动能和如何在飞行中保持平衡的问题。经过4年的潜心研究，AquaMAV已经具备了稳定的飞行能力，可以有效的执行从水中到空中的飞行任务。从长远来看，这样的机器人在大面积自动取样水样的任务中会很有用，如果能推出远程控制的版本，将更加便捷，可以带到海滩上遥控使用。

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