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如果台海有事儿,美国将如何介入?美国真正的战力在其2nm技术制造的昆虫无人机

美国新任国防部部长说新的战争已经完全和以前不一样了,大部分是无人的战争。结合五角大楼提出的第六代战机的雏形,本人总结出美国将对台海用兵的方法:

美军第六代战机飞机
美军第六代战机飞机
  1. 数十个第六代空中航空母机在战争地点3000-4000海里之外;
  2. 每个航空母机发射出20-60个机载飞机;
  3. 每个机载飞机可以发射出10,000-20,000个蜜蜂无人机
  4. 每个蜜蜂无人机可以定点清除或作为炸药炸船及飞机

一切全部利用芯片和空中卫星操作。

本人泄露美国的无人机战略,只是提醒决策者慎重。如果没有先进的芯片技术,海上战争必输无疑。

昆虫无人机定点斩首
昆虫无人机定点斩首

如果你想胜利,那么就打下3000-4000海里之外的航空母机. 但很有可能那些机载机和无人蜜蜂机的指挥权已经转移给了天上卫星或地面日本,澳大利亚, 韩国,或台湾的基地. 也有可能在潜艇之内.

如果程序编的好, 这些蜜蜂无人机甚至可以不用指挥,根据进攻目标的特点, 发生自杀式炸弹袭击.

量子技术的发展可以侦查到隐形战机,但这些大规模的无人战机不怕被侦查到。

“昆虫无人机”:重量仅为0.6克,每秒扇翅500次,碰撞后也能复飞

每秒扇翅 500 次,重量仅 0.6 克,碰撞翻滚后也能立即复飞,这可不是某种昆虫,而是真真正正的人造无人机。

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图 | 飞行中的“昆虫无人机”(来源:受访者)

其大小好比一只大黄蜂,外观就像长着翅膀的磁带盒,身体主要由四部分组成:机身、传动装置、机翼铰链和机翼。

图 | 本次研究中的“昆虫无人机”机器人(来源:受访者)

灵感来源于经常蛰我们的蚊子:如果蚊子趴在脸上,哪怕迅速拍它,它也有可能溜走,并能迅速飞回脸旁继续 “嗡嗡嗡” ,这固然令人讨厌,但也说明蚊子等小昆虫拥有极高的飞行弹性。再比如,一只果蝇倒立在天花板上时,40 毫秒内即可翻转过来。

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图 | “昆虫无人机”的机翼(来源:受访者)

昆虫的这些功能看似“不起眼”,但一直都难以在人造飞行机器人中实现,而前文的“昆虫无人机”,正是由麻省理工学院(MIT)电气工程与计算机科学系助理教授 Kevin Chen 研发出来的带有“昆虫功能”的人造飞行机器人。

相关论文已于近日发表在 IEEE Transactions on Robotics 杂志上,论文标题为《昆虫大小高灵敏、抗碰撞的弹性飞行器》(Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility)。

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图 | 相关论文(来源:受访者)

谈及研究初衷,Kevin Chen 表示很多无人机都非常大,且多数用于户外飞行。但是几乎没有可在复杂、混乱空间中飞行的昆虫大小的无人机。

他说,“昆虫无人机”的构造,完全不同于大型无人机,后者通常由电动机提供动力,把这种电动机缩小后并用在“昆虫无人机”中,其效率反而会降低,因此要给“昆虫无人机”寻找电动机的替代品。

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图 | 起飞中的“昆虫无人机”(来源:受访者)

此前的主要替代方案,是采用由压电陶瓷材料制成的小型刚性执行器,但这种执行器非常脆弱,如果把它用于“昆虫无人机”,很难承受大约一秒一次的碰撞。为此,他们研发出一种新型弹性介电体驱动器。

“昆虫无人机”的 “心脏”:新型弹性介电体驱动器

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据悉,Kevin Chen 通过使用软驱动器,设计出一种弹性更好的新型弹性介电体驱动器,这种驱动器由薄橡胶圆柱体制成,圆柱体上包裹着碳纳米管。

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图 | 由驱动器提供动力的 665 mg “昆虫无人机”的透视图(来源:受访者)

当给碳纳米管输送电压时,静电压力就会产生,进而会挤压和拉长橡胶圆柱体,这种反复的挤压和拉长,可让“昆虫无人机”的翅膀快速扇动。

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图 | 振翅飞行(来源:受访者)

概括来说,驱动器是提升无人机性能的关键。在驱动器中,弹性体片材的长度、宽度和厚度分别为 8 毫米、50 毫米和 210 微米。在弹性体被卷成圆筒后,碳纤维帽被连接到两端,并能同时连接电气和机械。

制作过程中,该团队通过降低接触电阻、来提高电阻生产效率。总之,这种新的驱动器可在更高电压和更高频率条件下驱动,并且在共振和自由位移测试中表现更好。

最终设计出的驱动器,可让翅膀每秒钟拍动 500 次,无人机借此拥有真正类似昆虫的灵活性。

在飞行时,如果你用手击中它,它也能像拍不死的蚊子一样,可在 0.16 秒内恢复飞行,此外还能进行空中翻腾等动作。

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图 | “昆虫无人机”扑翼运动特性研究(来源:受访者)

据悉,相比该团队之前的工作,本次设计的新型驱驱动器,其输出功率的密度相比以前提高了 100%,换能效率提高 560%。

概括来说,驱动器好比“昆虫无人机”的 “心脏”,搞定 “心脏” 后,他们开始设计无人机的其他 “器官”。

基于新的数据分析,他们重新设计了无人机的变速器、机翼铰链和机翼等,其中机翼的骨架材料是碳纤维,翅膀是聚酯纤维,看起来有蝉翼般的逼真感。

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图 | 图示位置为驱动器(来源:受访者)

最终诞生的“昆虫无人机”,除可以进行悬停飞行以外,还拥有 70 厘米 / 秒的上升速度。据该团队介绍,这一速度使得该无人机成为目前最快的软移动机器人之一。

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此外,该无人机的升力重量比为 2.2:1,这意味着它可携带约等于其重量的有效载荷。

经初步测试和计算,使用现成的锂聚合物电池(LiPo),可让无人机大约飞行 10–30 秒,其中无人机下面的合金线,主要用于供电。任智健告诉 DeepTech:“目前还是通过控制器输出信号,经过电压放大器增压之后给无人机供电。我们的下一步计划就是让无人机携带电池‘更加自由’地飞行。

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图 | 无人机下面的金属线(来源:受访者)

“昆虫无人机”的设计:遇到碰撞依旧能 “活下来”

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比起此前工作,本次机器人的传输长度从 400 微米增加到 500 微米,铰链尺寸分别调整为 2.05 毫米和 0.10 毫米。

其中,铰链由 12.7 微米厚的聚酰亚胺薄膜制成。新的驱动器、机器人变速箱和机翼铰链“强强联合”,相比此前工作,该无人机的净升力提高 83%。

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图 | “昆虫无人机”设计(来源:受访者)

他们还进一步改进了机翼设计,从而让无人机可在更大气动载荷下工作,并能在遇到碰撞时 “活下来”。

图 | 无惧碰撞(来源:受访者)

在提高机翼刚度上,该团队使用了一种新型碳纤维。他们还对翼根位置进行了修改,飞机内梁由曲线设计、变为直线设计,这样可提高机翼的碰撞鲁棒性。

另外,机翼的前缘翼梁和对角翼梁,都与碳纤维的方向对齐,这样可增加机翼的刚度,从而帮助无人机在遇到碰撞时可以恢复飞行、以及做出空翻等动作。

在飞行展示中,他们还发现该无人机可实现可控的悬停飞行,如下图,这是无人机在飞行中出现 10 秒悬停的图像序列。

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图 | 悬停的“昆虫无人机”(来源:受访者)

在这次 10 秒的悬停飞行中,高度误差小于 0.5 厘米,xy 平面的漂移小于 4 厘米。

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图 | 悬停(来源:受访者)

在悬停飞行期间,驱动器的输入电压幅度在悬停条件下缓慢变化,电压上下浮动为 20V。相反,在机身快速翻转过程中,驱动器的电压幅度在 2-3 次拍打翅膀(60 毫秒)时,将从近 2000V 下降到 200V 以下。

大幅的电压变化,会给驱动器带来极大的瞬时应变,但由于驱动器由弹性体制成,因此承受力比刚性驱动器更强。

为展示无人机的敏捷性,他们还进行了受控上升飞行,拟合结果表明,无人机的上升速度达到 70 厘米每秒,相比他们之前的工作,其最大上升速度提高了两倍以上。

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图 | 受控上升飞行测试(来源:受访者)

除了演示悬停和上升飞行,该无人机还可通过反馈控制,从飞行中的碰撞中恢复。下图 a–c 显示了第一次碰撞恢复演示,演示中他们将无人机向下推,但这种扰动对其影响可以忽略不计。

无人机被击中后,机身高度降低 4 厘米,然后它逐渐回到悬停设定点。这说明,在飞行干扰中,“昆虫无人机”有足够的控制能力和恢复能力。

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图 | 碰撞演示(来源:受访者)

期间,为验证无人机的空翻能力,他们做了五次实验。

图 | 空翻(来源:受访者)

据悉,空翻演示需要驱动器来处理输入信号的巨量瞬时变化。

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图 | “昆虫无人机”空翻飞行演示(来源:受访者)

谈及应用,任智健表示:“它基本可用于目前所有无人机的应用场景,在搜救和探索上,可进入更加狭小封闭的空间。其他应用领域还有野生自然环境的考察、农作物授粉等。受益于仿生和微型的优势,这款无人机基本不会干扰到野生动物。”

他补充称:“最近的毅力号火星车上搭载了最新的无人机,由于大气稀薄,必须增加成倍的转速才能起飞运作。而我们此次设计的软体介电驱动器,在高频运动上比传统电机更有优势,同时在低重力环境下,也不影响无人机的飞行。”

未来军用无人机发展新路径 “振翅”而飞不是梦

近日法国国防部发布消息称,法军目前正在推进一个名为“BIOFLY”的仿生无人机研发项目,旨在打造一款操作灵活、隐身性能较强的扑翼式无人飞行器。

扑翼式飞行器,指的是模仿鸟或昆虫飞行方式研制的飞行器,能靠拍打翅膀来获得升力和推力。随着微加工技术、微机电技术、仿生技术的发展,各国科研人员在成功研制出一系列大型飞行器的同时,正越来越多地将目光投向扑翼式飞行器。与旋翼式无人机或固定翼无人机相比,扑翼式无人机体积小、重量轻、隐蔽性好、行动灵活,在军用和民用两大领域都有广阔发展前景。

扑翼式无人机的核心在于仿真。这种仿真不只是借鉴鸟和昆虫的飞行原理,还包括模仿鸟和昆虫的肢体结构、外形特征,以期达到全方位仿真的效果。一旦研发成功,扑翼式无人机将能像鸟和昆虫一样,轻松完成上升、悬停、前进、俯冲等动作,大自由度地完成无人机姿态调整。对鸟或昆虫骨架结构的研究与效仿,喷涂隐身材料,甚至直接采用生物的某些部位实体,使这类无人机的“迷惑性”更强,不仅能够瞒过人的眼睛,甚至可以混迹于鸟群之中。

当前的扑翼式无人机主要包括仿昆虫设计和仿鸟类设计两种。昆虫体型小、噪声低,飞行轨迹复杂多变,能够快速转弯、悬停飞行。仿昆虫设计的扑翼式无人机通常采用碳纤维、液晶聚合物、定向聚丙烯等轻型材料来打造机翼,以达到轻巧灵活的目的。法国工程师设计的仿蝴蝶无人机“MetaFly”,重量不到10克,既能在户外飞行,也能在室内上下翻飞。英国一家公司从蜻蜓身上获得灵感,研制出一款能够在高阵风条件下飞行的扑翼式无人机“Skeeter”。“Skeeter”不仅能够民用,还获得英国国防部的拨款,正加快其军事化进程。

仿鸟类设计的扑翼式无人机则考虑到了飞行器的续航力。同样采用轻量化材料,使无人机的翅膀“轻如鸿毛、薄如蝉翼”。体型略大的仿鸟类扑翼式无人机可容纳更大容量的电池,拥有更长续航时间。2005年,美国国防部高级研究计划署启动了一个与“蜂鸟”类似的超微型军用扑翼式无人机研制项目,旨在对洞穴或地道等狭小地区的情况进行侦察或监视。“蜂鸟”超微型无人机能以每秒数米的速度向前飞行,可抵抗2.5米/秒的微风。斯坦福大学以鸽子为原型,制造出一款双翼由鸽子羽毛组成的无人机。该款无人机能够在空中滑翔,并通过收缩、伸展翅膀完成转弯、爬升等动作。

当前,战场环境更加复杂。过去的一些空中侦察装备已无法应对来自战场生存力方面的考验。扑翼式无人机或可凭借其难以分辨、携带方便等优势,成为一款适用于现代战场的侦察装备。尤其是随着巷战、特种作战发生概率增大,扑翼式无人机在狭小空间作战方面有相当大的发展潜力。尽管在扑翼式无人机研制方面,各国还处于起步阶段,但随着材料学、空气动力学、人工智能等方面研究的深入,扑翼式无人机从技术成熟到投入战场,这一目标的实现或许就在眼前。

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