微型飛行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常模仿生物昆蟲，因?yàn)槔ハx是小型高效飛行的能手。這種撲翼微型飛行器 (FMAVs) 接近真實(shí)昆蟲的大小，一些蜜蜂大小的機(jī)器人表演令人印象深刻，它們可以起飛、懸停，甚至可以去游泳。然而，制造一個(gè)帶有扇動(dòng)翅膀的小機(jī)器人，讓它能夠在空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)并保持可控性，是一件棘手的事情，因?yàn)檫@需要極其復(fù)雜的機(jī)械傳輸和軟件設(shè)計(jì)。

（來源：UC Berkeley）

不難理解為什么仿生方法很受大家歡迎，因?yàn)槔ハx們有幾億年時(shí)間來解決他們?cè)陲w行時(shí)遇到的所有問題，而我們發(fā)現(xiàn)的基于螺旋槳的飛行系統(tǒng)并不能很好地縮減飛行器的尺寸。然而，還有另一種動(dòng)物們還沒有想到的飛行方式，也就是電力推動(dòng)，不像翅膀或螺旋槳，它不需要移動(dòng)部件，只需要電力。

電流體動(dòng)力（EHD）推進(jìn)器，有時(shí)稱為離子推進(jìn)器，利用高強(qiáng)度電場(chǎng)產(chǎn)生電離空氣等離子體。離子（主要是帶正電的氮分子）被吸引到帶負(fù)電的柵極，在這個(gè)過程中，它們撞擊中性空氣分子并給它們提供動(dòng)量，這就是 EHD 推力的來源。

（來源：UC Berkeley）

這不是一個(gè)特別新的概念，這個(gè)現(xiàn)象在幾百年前就被人們發(fā)現(xiàn)了。曾經(jīng)有一段時(shí)間，人們認(rèn)為它可能應(yīng)用于有人駕駛的飛機(jī)上，但這需要一個(gè)超級(jí)大的發(fā)射器和集電極網(wǎng)格才能把一個(gè)人送上天空。

2003 年，一只名叫 Orville 的老鼠乘坐一架不可思議的大型 EHD 飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了成功飛行，但據(jù)我們所知，這是迄今為止最大型的 EHD 動(dòng)力飛機(jī)。將 EHD 技術(shù)應(yīng)用于大飛行器上似乎遇到了瓶頸，轉(zhuǎn)變其應(yīng)用方向，也許會(huì)使這項(xiàng)技術(shù)變得更加實(shí)用。

（來源：UC Berkeley）

這是目前正在加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的離子飛行器。它很小，僅有 2 厘米×2 厘米，重 30mg，加上 37mg 的慣性測(cè)量裝置。在小尺寸的情況下，沒有運(yùn)動(dòng)部件有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槟悴槐負(fù)?dān)心將機(jī)械設(shè)備（如變速器）按比例縮小至何等規(guī)模，離子傳感器能夠在 0.35 mA 的電流下以 2,000 伏的輸入電壓對(duì)飛行器（包括 IMU 有效載荷在內(nèi)）進(jìn)行起飛和懸?？刂啤?/p>

不可思議，對(duì)嗎？沒有活動(dòng)部件，完全無聲，卻能實(shí)現(xiàn)飛行！大尺寸的 EHD 推進(jìn)器可能是不切實(shí)際的，但實(shí)際上縮小尺寸會(huì)使 EHD 推進(jìn)器發(fā)揮更好的作用，因?yàn)殪o電力具有縮放不變性。這意味著較小的推進(jìn)器具有更高的推重比，以及較低的電壓要求。在小尺寸下，離子傳感器相比于相同大小的撲翼微型飛行器具有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，你可以設(shè)計(jì)一個(gè)以四旋翼飛行器為起點(diǎn)的控制器，因?yàn)殡x子傳感器使用四個(gè)類似配置的推進(jìn)器。由于它沒有旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，它不能利用角動(dòng)量的變化來實(shí)現(xiàn)偏航，但事實(shí)證明“只要你有一點(diǎn)擺動(dòng)的空間，快速，重復(fù)的俯仰，然后滾動(dòng)”，可以導(dǎo)致偏航運(yùn)動(dòng)。

與我們所見過的其他微型飛行器一樣，現(xiàn)在最大的問題是我們是否可以實(shí)現(xiàn)有效載荷的自主運(yùn)行控制。目前，離子傳感器攜帶的負(fù)載比它能承受的還要重，但此外它還需要 7 根外部電線來供電、數(shù)據(jù)傳輸和接地。加州大學(xué)伯克利分校的研究人員非常明確地表示，他們認(rèn)為自主控制是可以實(shí)現(xiàn)的。

盡管最初的受控飛行演示肯定是在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，但我們?cè)O(shè)想未來的離子飛行器將是一個(gè)能夠在室外飛行的全自動(dòng)機(jī)器人。要想實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)需要在許多相互依賴的領(lǐng)域上取得進(jìn)展，包括：系統(tǒng)開發(fā)，以便納入更多的機(jī)載計(jì)算、控制和傳感電子；進(jìn)一步對(duì) EHD 執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工程改進(jìn)，在較低的工作電壓下提供更高的推力密度和效率；并進(jìn)一步開發(fā)仿真環(huán)境和小型飛行規(guī)模的飛行測(cè)試設(shè)置，以開始開發(fā)更強(qiáng)大的具有高級(jí)功能的控制器。

研究人員認(rèn)為，對(duì)于配備 IMU、控制 ASIC、驅(qū)動(dòng)電路和光流傳感器的離子飛行器來說，100 毫克的有效載荷是合理的。光流傳感器可以僅在動(dòng)力的情況下控制自主飛行。對(duì)小型電源的需求并不僅限于離子飛行器，它需要“結(jié)合高能量密度研究級(jí)電池”，這可能還不存在。此外，對(duì)執(zhí)行器性能上的改進(jìn)也是很必要的。好消息是還有很多改進(jìn)的空間，研究人員似乎樂觀地認(rèn)為他們將能夠從 EHD 推進(jìn)器的設(shè)計(jì)中激發(fā)更多的能量。