无人机拍摄场景。图片来源：图虫创意
微型翱翔器：低空翱翔的新秀
微型翱翔器（Micro Aerial Vehicles, MAVs）是一种尺寸极小（不超过50厘米）、重量极轻（不超过100克）的翱翔器，被用于在繁芜环境中实行侦察、监测、通信等任务。它们不仅具备传统翱翔器的翱翔能力，还具有眇小的体积和敏捷的灵巧性，在军事、民用等多个领域展现出巨大的运用潜力。
能量的供给在微型翱翔器中至关主要，由于尺寸和重量的限定，微型翱翔器对电池的哀求极高。目前，微型翱翔器的供能系统紧张来自锂电池、氢燃料、太阳能等。
锂电池能量密度高、重量轻，是目前微型翱翔器中利用最为普遍的能源，适用于对永劫光续航有需求和设计轻便的微型翱翔器。
氢燃料通过与高压气体稠浊燃烧产生热能，驱动微型涡轮发动机给翱翔器供能。氢气具有密度小和燃烧开释能量高的特性，能为微型翱翔器供应更高的推力和更高的功率。例如，由美国麻省理工学院研制的微型涡轮发动机（仅有纽扣大小），就能以较轻质量达到极高转速。
太阳能电池是办理微型翱翔器续航问题的方案之一，由于翱翔器常日在室外事情，可以充分利用太阳能实现永劫光续航。
此外，随着太阳能发电技能的发展，稠浊供能的办法也逐渐被运用到微型翱翔器领域。太阳能发电将多余的电能储存在锂电池中，为微型翱翔器供应能源保障。只管太阳能发电技能具有可持续性，但由于微型翱翔器的尺寸限定和能源转化效率低的实际问题，翱翔器的续航韶光很难提高。
新打破：超轻微型翱翔器
2024年7月17日，中国科学家在《自然》（Nature）杂志上揭橥了一篇关于超轻微型翱翔器（CoulombFly）的研究事情，该翱翔器的重量仅有4.21克，是目前最轻的太阳能驱动翱翔器，可以在阳光下持续翱翔。
研究成果揭橥于《自然》（Nature）杂志。图片来源：《自然》（Nature）杂志
该超轻微型翱翔器紧张由静电驱动推进系统和超轻千伏电力系统组成，这是它可以实现持续翱翔的关键。
强大的动力系统：静电驱动推进系统由一个静电电机和螺旋桨组成。静电电机利用由摩擦、打仗或感应产生的静电（不流动电荷）作为能量源，进行电能和机器能转换。该装置的事情事理是，当高压直流电施加到静电电机的电极板，电机内部会产生高压电场，在电场浸染下，电机的叶片发生连续旋转，带动螺旋桨迁徙改变，驱动翱翔器升空。
a. 超轻微型翱翔器；b.翱翔测试系统中的翱翔器；c.翱翔器在阳光下的起飞和持续翱翔过程。图片来源：参考文献[1]
超轻的供电系统：超轻千伏电力系统由高压功率转换器和太阳能电池组成。太阳能电池可以在自然光下产生低压直流电源，但是低压直流电源无法直接驱动电机。为此，研究者设计了一种高压功率转换器，可以将4.5伏的低压直流电转换成4000伏-9000伏的高压电，以知足静电电机的事情需求。该超轻千伏电力系统的重量仅为1.13克，电压与质量比为7.09千伏/克，远远高于目前最轻的千伏高压发电机。
a.高压功率转化器和太阳能电池；b.高压功率转换器的电路设计图；c.高压功率转换器输出电压与频率关系图；d.功率转换效率曲线。图片来源：参考文献[1]
实验结果表明，重量仅有4.21克的微型翱翔器，能耗低至0.568瓦。该翱翔器在自然光条件下测试1小时，性能险些无衰减，可以持续翱翔。此外，该微型翱翔器在8.5千伏电压下可以具有5.8克的升力，减去自身重量，还可以额外负载1.59克重量，可携带轻型致动器、传感器和掌握电子设备，未来可实现自主操作。
微型翱翔器的运用领域
军事领域：微型翱翔器被视为未来沙场的侦查工具和攻击工具，由于体积小，不易被创造，可以更好的实行敌情侦查与监视任务。此外，微型翱翔器还可以用于监测化学或生物武器的潜在威胁，为战术决策供应支持。在通信设备受损或无法直接进行通信的情形下，微型翱翔器还可以作为临时的通信中继站，确保指挥系统的正常运转。
无人机穿梭在森林中作业。图片来源：图虫创意
民用领域：微型翱翔器可用于气候监测、环境监测、海洋监测以及自然磨难监测等场景，为环境保护和磨难预警供应主要数据。在山林地带、地震灾区等繁芜环境中，微型翱翔器可以征采迷失落职员或伤员，为搜救行动供应指引。
微型翱翔用具有高机动性和强灵巧性，未来还有望运用于地形测绘和空中拍照等场景。
无人机测绘农作物成长数据场景。图片来源：图虫创意
结语
随着技能的进步和运用处景的拓展，微型翱翔器的发展前景将越来越广阔。我们有情由相信，在不远的将来，微型翱翔器会以更加智能、灵巧、高效的运用办法，为我们创造更加安全、便捷、美好的生活环境。
参考文献
[1]Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guéroult, M. et al. An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic[J]. Nature, 2024.
[2]Jafferis, N.T., Helbling, E.F., Karpelson, M. et al. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature, 2019.
[3]李占科,宋笔锋,宋海龙.微型翱翔器的研究现状及其关键技能[J].翱翔力学, 2003.
[4]岳基隆,张庆杰,朱华勇.眇小型四旋翼无人机研究进展及关键技能浅析[J].电光与掌握, 2010.
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出品丨科普中国
作者丨石畅 物理化学博士
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
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