安裝在一隻綠甲蟲身上的壓電裝置得到了115W的發電量

　　北京時間9月7日消息，長期以來工程師們一直致力於研發微型飛行器，其體型就跟昆蟲差不多。但是在經過長期研究後工程師們逐漸意識到這樣做面臨的巨大困難，他們需要設計出一種微小的輕型飛行器，還能攜帶一定重量的載荷飛行，依靠高性能電池進行長時間的穩定供電，這幾乎是一個不可逾越的挑戰。因此現在有一些工程師們開始另辟蹊徑，放棄獨立開發全機械系統，轉而設法利用真實的昆蟲本身，只是要對它們動一些手腳。

　　比如在它們的觸角附近安裝微型刺激體，在它們的中樞神經系統內部或神經肌肉連接處植入電極等等。研究人員發現這樣可以實現對昆蟲大腦的操控，這樣就得到了一個“僵屍”昆蟲機器人。

　　美國密歇根大學教授艾森阿肯-阿克塔卡(Ethem Erkan Aktakka)告訴記者説：“儘管近些年在微型飛行器設計方面取得了長足的進展，但是考慮到其空氣動力學表現，懸空時間，載荷能力以及微觀尺寸上的節能性能，這些設計都是無法與這種‘僵屍’昆蟲機器人相比的。”他説：“人類依靠現有的技術是無法挑戰後者的，因為這是大自然經過千萬年進化後得到的結果。”

　　到目前為止，應用於昆蟲體內的操縱系統仍然是靠電池供電的。但是現在-阿克塔卡和合作者一起研發出了一種節能裝置，它能依靠昆蟲扇動翅膀的動作發電。他們在昆蟲的兩個翅膀上各安裝一個這樣的節能裝置，運用壓電效應産生45 W的電量。並且研究人員們相信，一旦將發電機組與昆蟲體內的運動肌肉實現直接連接，這種發電效率將得到指數級提升。

　　有關這一研究的論文已經發表于最近一期《細觀力學與微工程雜誌》，這標誌著科學家首次開始嘗試採用非共振裝置技術從活體昆蟲身上收集電能。在此之前科學家們再昆蟲身上收集電能的嘗試包括使用溫差電偶來借助昆蟲的體溫發電，以及使用磁諧振裝置來收集因昆蟲身體顫動産生的電能。除此之外太陽能也是一個備選能源方案，不過這樣做的話其應用便會被限制在陽光明媚的室外。由於先前的嘗試中發現，不同昆蟲個體在飛行中拍動翅膀的頻率存在很大的差異，甚至同一隻昆蟲在不同情況下拍動翅膀的頻率也有很大不同，因此科學家們得出結論，必須使用非共振裝置設計，這樣才能收集到盡可能多的電能。

　　現在，科學家們開始嘗試在昆蟲的胸廓和翅鞘位置安裝壓電懸臂梁和壓電扭轉梁機構。這種裝置可以在85-105 Hz的頻率下工作，這正是科學家們用作實驗的綠甲蟲的翅膀扇動頻率變化範圍。壓電扭轉梁機構顯示最高發電量接近45 W，而壓電懸臂梁的發電量大致僅為其一半或更少。測試顯示，發電裝置的安裝位置距離昆蟲的飛行肌越近，昆蟲扇動翅膀産生的機械能轉化為電能的效率便越高，因為飛行肌正是昆蟲扇翅震動的來源。在採用一個更大些的壓電裝置之後，研究人員得到了最佳115 W的發電量。

　　阿克塔卡説：“現成的設備幫助我們得以進行實際測試，並可以在同種昆蟲的不同個體上進行比較測試。這些裝置的重量遠低於之前使用的共振發電裝置。現在，不管昆蟲扇動翅膀的頻率如何改變，週遭的環境，如光照或溫度如何變化，我們總能得到較高水平的發電量，”

　　研究人員們指出，這種“僵屍”昆蟲飛行器將具備和微型機械飛行器同樣的功能，包括執行搜索和營救任務，災害環境偵察監視以及爆炸物偵測等等。

　　阿克塔卡説：“目前，我們正在努力開發一種新的微安裝技術，它將讓我們得以將壓電陶瓷整合進傳統的半導體加工技術中去。和傳統的薄膜沉積工藝相比，這一新技術將極大地提升微型震動能的採集效率。同時我們也正在繼續跟進電源再充電或超級電容技術的開發。”這項技術的研製工作得到了美國國防部先進項目研究計劃局(DARPA)的資助。(晨風)