能自行发电的昆虫飞行器问世

2011-9-02 10:03 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网8月31日报道,多年来,科学家在仿照昆虫制造微型飞行器(MAVs)的研究中,一直面临着携带能持久供电的电源这一挑战。最近,密歇根大学科学家就另辟蹊径,直接利用真正的昆虫,解决了飞行器电源方面的一个难题。

  密歇根大学电力工程与计算机科学学院的艾瑟姆·阿坎·阿卡达卡和同事共同开发出一种能量收集器,利用绿花金龟(Green June Beetle)飞行过程中翅膀的震动来发电,通过一种压电装置,使每只甲虫输出的总体电功率达到45毫瓦。他们预测,如果把甲虫飞行肌直接和发电机相连的话,发电功率还能再提高一个数量级。这也标志着人们第一次用活昆虫和非共振装置来采集能量。相关论文发表在最近出版的《微观力学与微型工程杂志》上。

  此前收集昆虫能量的方法包括用热电偶收集昆虫体热,或用共振磁性装置收集振动能量。但不同甲虫翅膀震动的频率有很大不同,同一只甲虫在不同条件下的震动频率也不同,所以非共振装置才能有效收集各种振动产生的能量。

  在实验中,研究人员用压电装置分别测试了甲虫翅膀、胸部和翅鞘部位的发电能力。压电装置能以85赫兹到105赫兹的频率运行,这也是绿花金龟翅膀震动的频率范围。实验显示,能量收集器越靠近飞行肌底部(振动源),受到的机械压力越大,输出功率就越大。换用了更大的压电装置后,在最佳部位能达到115毫瓦。

  “这种装置还能拓展到同类昆虫身上,其重量要比共振式能量收集器大大降低。不考虑振动频率转换、光热环境条件的话,能得到巨大的输出功率。”阿卡达卡说,“尽管微型飞行器的研发已经取得了很大进步,但在空气动力性能、飞行时间、载荷能力、能源储备微型化方面,机器昆虫更具优势。我们目前的技术跟自然界几千年的进化比起来还太简单。”

  机器昆虫能作为微型飞行器来使用,执行搜寻与救援、跟踪、监控危险环境、探测爆炸物等任务。阿卡达卡说:“目前我们在研究一种将压电陶瓷和传统硅制造相结合的新技术,以提高微振动能量收集器的效率。”