如同風吹動種子和樹葉飄落，利用風使微型飛行器分散下落，有助于實現大規模傳感器部署的自動化。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由美國華盛頓大學（University of Washington）與法國格勒諾布爾大學阿爾卑斯分校（Université Grenoble Alpes）LEGI實驗室組成的科研團隊在Science Robotics期刊上發表了以“Solar-powered shape-changing origami microfliers”為主題的論文。該論文共同第一作者為Kyle Johnson和Vicente Arroyos，通訊作者為Vikram Iyer和Shyamnath Gollakota。

這項研究證實了通過巧妙設計解決挑戰的可行性，并構建了太陽能折紙結構微型飛行器；這種微型飛行器在空中可以通過電子裝置改變其形狀，以實現無線傳感器的風力分散部署（如圖1所示）。研究人員使用雙穩態葉片結構設計了這款折紙結構微型飛行器，并發現了一項重要特性：這些折紙結構形狀的簡單改變會導致兩種截然不同的下落行為（如圖2所示）。

圖1 太陽能驅動變形的折紙結構微型飛行器

圖2 翻滾狀態和穩定狀態（微型飛行器的兩種下落行為）

雙穩態折紙結構

如圖3A所示，研究人員通過組合多個Miura-ori單元來設計折紙結構微型飛行器。該研究所制造的器件原型的折痕剛度（crease stiffness）是通過使用不同材料以及不同厚度的材料來調整的，并通過沿折痕線引入切割圖案來降低剛度。隨后，研究人員對該折紙結構進行了運動學模擬、跌落測試等實驗，結果如圖3B至圖3E所示。

圖3 雙穩態折紙結構及測試結果

太陽能致動器

構建在空中實現翻滾與穩定狀態轉換的折紙結構微型飛行器，需要在折紙結構、致動器與能量收集電路之間進行協同設計，這增加了多重設計的挑戰。因此，研究人員精心設計了一種能夠提供微型飛行器所需的線性運動的電磁致動器。圖4A展示了致動器的結構示意圖，它由直徑2.1 mm的電磁線圈與直徑2.0 mm的微型釹磁鐵構成。

圖4 太陽能致動器結構示意圖及測試結果

研究人員直接在12.5 μm厚的柔性鍍銅聚酰亞胺片上制造了整個電路（如圖5A）。這種制造方法可將電子器件與折紙結構直接集成。同時，研究人員設計了輕量化電路（如圖5A和圖5B），由輕量化太陽能電池陣列為電路供能。圖5C展示了能量收集電路從冷啟動到驅動器件的整個運行過程。

圖5 太陽能收集和無線電路

最后，研究人員對該微型飛行器做了戶外評估測試，結果如圖6和圖7所示。

圖6 戶外跌落試驗

圖7 微型飛行器在空中和地面的測量

綜上所述，這項研究使用雙穩態葉片結構設計了折紙結構微型飛行器，并發現了一項重要的特性：這些折紙結構形狀的簡單改變會導致兩種截然不同的下落行為（翻滾狀態和穩定狀態）。當折紙結構展開且平放時，微型飛行器在風中表現出增加橫向位移的翻滾行為；當折紙結構向內折疊時，微型飛行器表現出方向穩定的垂直下降，較少受到風的影響。為了實現這兩種形狀之間的電子驅動轉換，研究人員設計了一種低功率的電磁致動器，該裝置由太陽能電池供能，可在25 ms內產生高達200 mN的峰值力。研究人員直接在折疊的折紙結構上制造電路，主要包括可編程微控制器、藍牙（Bluetooth）無線電設備、太陽能收集電路、用于估計高度的壓力傳感器以及溫度傳感器。對該微型飛行器進行的戶外測試結果表明，414 mg的折紙結構微型飛行器能夠在半空中通過電子裝置改變其形狀，在微風中飛行距離達到98 m，并可實現藍牙無線數據傳輸，傳輸距離可達60 m，僅需使用從太陽收集的能量。

這項研究獲得了戈登和貝蒂摩爾基金會獎學金（Moore foundation fellowship）、美國國家科學基金（ECCS-2054850）、美國國家GEM聯盟（National GEM Consortium）、谷歌研究學者獎學金項目（Generational Google Scholar Fellowship Program）、Cadence獎學金項目（Cadence Fellowship Program）、華盛頓美國國家航空航天局太空資助項目（Washington NASA Space Grant Fellowship Program）以及SPEEAACE獎學金項目（SPEEAACE Fellowship Program）的資助和支持。

編輯：黃飛