研究人员开发了新型“机器蜜蜂”，为未来的室内农场授粉

　　2月4日（合众国际社）——麻省理工学院的科学家们说，一种重量不到一克的新型微型飞行机器人可以代替蜜蜂在未来的室内“垂直 ”农场中授粉 。

　　麻省理工学院的一个由五名研究人员组成的团队本月发表了一篇开放获取的论文 ，介绍了他们开发的一种新设计
，他们说，与之前的昆虫级“微型飞行器
”（MAVs）相比 ，这种飞行器的飞行精度和敏捷性得到了显著提高
。

　　这项研究发表在1月15日的《科学机器人》（Science Robotics）杂志上
，称这种新型“机器蜜蜂”将人造翅膀弯曲处的机械应力降至最低，从而实现更快的机动、更长的耐力和更长的寿命。

　　麻省理工学院电子工程与计算机科学系的首席作者凯文·陈在一份新闻稿中说：“我们在这篇论文中展示的飞行时间可能比我们研究领域能够用这些机器昆虫积累的全部飞行时间还要长 。 ”

　　“随着这种机器人寿命和精度的提高 ，我们离一些非常令人兴奋的应用越来越近
，比如辅助授粉
。
”

　　转向垂直农业

　　垂直农业是一种利用人工智能和人工照明在室内空间种植植物的方法，如果要超越主要生产生菜和草药等绿叶蔬菜的方式 ，模拟自然授粉是必须的，这些蔬菜可以用相对较少的水栽方式种植。

　　这是因为我们消费的近三分之一的作物必须通过授粉才能生长 。但有一个主要问题——家养蜜蜂不能在室内人工照明下轻松导航
，人工授粉是一个极其昂贵和耗时的过程
。因此，使用机器人传粉者被一些人吹捧为一种潜在的选择。

　　科学家们正在研究这个问题 ，因为许多人认为
，到2050年，世界人口预计将超过90亿 ，因此
，以城市为基础的垂直农业有助于增加粮食产量和扩大农业经营 。

　　此外，根据美国农业部（U.S. Department of Agriculture）的数据 ，到同一年
，预计每3个人中就有2个人生活在城市地区。该机构表示，在这些不断增长的城市人口附近生产新鲜的绿色蔬菜和蔬菜 ，“可以通过减少分销链来减少排放
，提供更高营养的农产品，并大幅减少水的使用和径流 ，从而以对环境负责和可持续的方式帮助满足日益增长的全球粮食需求
。”

　　在这一点上，垂直农业仍然是一个利基市场。生菜和其他绿叶蔬菜是最受欢迎的作物
，虽然在垂直农场种植各种作物的研究正在进行中，但今天最成功的仍然是那些可以水培种植并完整收获的作物 。

　　研究人员正在研究自花授粉的小型水果（如草莓）和水果蔬菜（如西红柿和辣椒）的垂直农业潜力
。

　　虽然现在市场很小 ，但“随着环境控制 、自动化和作物生产技术的改进以及能源成本的降低
，它具有巨大的增长潜力。 ”美国农业部科学家凌凯舒上个月说 。

　　他说：“很难预测这个行业未来将如何发展，但我相信 ，在10年内
，垂直农业有可能占据美国大约50%的绿叶蔬菜市场，以及一小部分小水果（草莓）和番茄市场
。
”

　　技术的进步

　　使垂直农业能够克服目前局限性的最大飞跃之一将是进入需要蜜蜂或其他昆虫进行授粉的作物 ，特别是水果和蔬菜。

　　这类作物的名单很长：土豆
、洋葱、猕猴桃 、芹菜
、芥末、西兰花 、花椰菜
、西瓜、哈密瓜 、桃子和梨都只是表面 。总共有90多种美国特色作物需要蜜蜂和其他昆虫授粉
。

　　在野外
，由于虫害和疾病入侵、接触杀虫剂
、栖息地丧失、遗传多样性丧失和气候变化，这类传粉媒介的数量正在严重减少。在室内 ，驯化的蜜蜂在人造光的作用下挣扎着完成它们的功能 。

　　因此
，麻省理工学院发表的研究结果引起了垂直农业行业的轰动，美国国家科学基金会部分资助了这项研究
。

　　到目前为止 ，使用微型无人机的主要缺点是它们无法模仿空中昆虫的非凡敏捷性和精确性，而空中昆虫之所以能够做出惊人的壮举
，是因为它们的体积小，神经运动控制迅速。

　　“它们在躲避捕食者 、从阵风中恢复或降落在移动物体上时表现出令人印象深刻的杂技动作 ，”作者说
，并补充说，任何人造飞行器都必须能够复制它们的扑翼推进能力 ，以产生瞬时力和扭矩的巨大变化 。

　　他们写道：“在扑翼飞行过程中
，翼虫的翅膀
、铰链和肌腱每秒承受数百次大变形和高应力，突出了生物结构和材料的卓越灵活性和抗疲劳性。 ”

　　相比之下 ，MAVs的寿命“短得多”
，只能在空中盘旋不到10秒，或者以较慢的速度沿着简单的轨迹飞行
。

　　该团队表示 ，他们的新“机器蜜蜂
”是一个750毫克的扑翼MAV
，显示出“大大提高了寿命、速度 、准确性和灵活性”。

　　这种机械昆虫的重量还不到一个回形针，但在完成空中空翻等杂技动作时 ，它的飞行速度比同类机器人快得多 。图片由麻省理工学院提供

　　利用“减少离轴扭转应力和变形的传动和铰链设计 ”，该机器人实现了1000秒的悬停飞行
，比现有的亚克级MAVs长了整整两个数量级
。

　　该机器人还能以“超过最快的空中昆虫和大型无人机
”的旋转速度进行复杂的飞行轨迹，如双体翻转。

　　减少压力是关键

　　研究人员表示 ，设计中最重要的进步是MAV能够减少其人造“肌肉”的压力 。

　　根据麻省理工学院的说法
，机器人翅膀的运动是由这些微小的
、柔软的致动器驱动的，这些致动器是由夹在两个非常薄的碳纳米管电极之间的弹性体层制成的 ，然后卷成一个“柔软的圆柱体 ”
。

　　当驱动器迅速压缩和伸长时
，它们产生机械力来拍打翅膀。

　　在以前的设计中，当这些“肌肉
”的收缩达到非常高的频率时 ，它们就有弯曲的倾向
，从而降低了机器人的扭矩功率和机动性 。但陈说，在新版本中 ，这种压力已经减少了
。

　　他说：“与旧机器人相比
，我们现在可以产生比以前大三倍的控制扭矩，这就是为什么我们可以进行非常复杂和非常精确的寻路飞行。”

　　他们最大的挑战是制造机翼铰链 ，它长约2厘米，但直径只有200微米 。经过多次尝试
，他们终于成功地完善了激光切割工艺，使他们能够精确地制造每个机翼铰链
。

　　陈说：“如果在制造过程中有一个微小的对准问题 ，机翼铰链将会倾斜而不是矩形
，这会影响机翼的运动学。 ”

　　这种新型的“机器昆虫
”可以在空中盘旋近17分钟，飞行精度没有任何下降——比以往任何时候都要长100倍——同时达到35厘米的平均速度 。这是目前最快的速度。

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