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扑翼仿生飞行器发展进展

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鸟类(扑翼飞行器)的飞行原理,目前有多种解释。以下是一种较为合理的说明:

How to fly upwards

扑翼飞行器上升

扑翼仿生飞行器发展进展

当翅膀向下拍动时,由于惯性,翅膀上部的空气没有立刻随翅膀向下流动,因此翅膀上表面的空气暂时相对较少,甚至出现局部真空。当翅膀下侧压力与上侧压力的差值,大于重力时,飞行器将上升。

当翅膀向上拍动时,翅膀发生折叠,减小了翅膀的受力面积。此时,虽然压力差向下,并有重力作用,飞行器所受的合力向下。但是同样由于惯性(牛顿第一定律),飞行器将保持原来向上的速度,不会立刻下降。而很快翅膀又恢复向下拍动,飞行器再次获得向上的推力。

How to fly forwards

扑翼飞行器前进

扑翼仿生飞行器发展进展

当翅膀向下拍动时,翅膀后侧会相对前端滞后一些下降。因此,翅膀发生扭动。

翅膀下侧和上侧的压力差不是垂直向上的,其在水平方向的分力将推动飞行器前进;其在垂直方向的分力减去重力后将保持飞行器不下沉。

扑翼飞行器不同于喷气式飞机,Camellia Café认为伯努利方程不适用于在此解释扑翼飞行器的飞行原理。

扑翼仿生飞行器发展进展

在流体动力学,伯努利方程指出,当无黏性流体的速度增加时,流体的压强或势能将减少。

扑翼仿生飞行器发展进展

自然界大约有100万种昆虫和9000种鸟类,这些飞行生物向人类展示其卓越飞行能力的同时也启发着人类研制类似的扑翼飞行器。

在最近20年里,人们已经成功研制出一些仿昆虫型和仿鸟型的扑翼飞行器,如美国哈佛大学的“果蝇”飞行器,德国Festo 公司的“Smart bird”、中国南京航空航天大学的“金鹰”和西北工业大学的“信鸽”等。

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(a) 美国“果蝇” (b) 德国“Smart bird”

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(c) 南航“金鹰” (d) 西工大“信鸽”

国内外具有代表性的扑翼飞行器

国内外各研究团队已在扑翼飞行飞行器的动力学分析、能源系统和控制系统设计等方面取得了显著的成就。目前前沿的研究成果有:美国AeroVironment公司的Nano hummingbird蜂鸟机器人、德国Festo公司的SmartBird以及蜻蜓机器人、美国哈佛大学的RoboBees扑翼飞行机器人、美国加州理工学院的蝙蝠机器人以及国内北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学的扑翼飞行器等(如图1所示)。研究人员在理论研究和扑翼飞行器开发方面的不懈努力,使得扑翼飞行器的广泛应用成为可能。

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国内外扑翼飞行器

成为焦点

2017 年2 月1 日,一款名为Bat Bot (B2) 的仿生蝙蝠扑翼机器人登上国际权威期刊《Science Robotics》封面(图2),这也标志着仿生扑翼飞行器已然成为国内外学者在无人机前沿发展关注的焦点。

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Bat Bot (B2)仿生蝙蝠扑翼机器人

微小型扑翼飞行器是一种全新的飞行器设计结构,因其机械扑动很容易产生疲劳断裂,目前只适用于微小型飞行器的设计。与前两种结构微小型飞行器相比,微小型扑翼飞行器因其质量轻、体积小、噪音弱、隐蔽性能好等特点,既可以实现如同微小型旋翼飞行器的垂直起降、空中悬停、倒飞、侧飞,还可以像微小型固定翼飞行器那样实现快速高飞、长距离巡航等,是目前微小型飞行器的研究热点。

典型代表为美国加州理工学院的“Micro Bat”、美国佛罗里达大学的柔性翼微小型飞行器、美国哈佛大学的“RoboBee”、荷兰戴夫特技术大学的“DelFly Explorer”等。

微小型扑翼飞行器典型代表

微小型扑翼飞行器典型代表:Micro Bat(左上);柔性翼(右上);RoboBee(左下);DelFly Explorer(右下)

国外微小型飞行器发展现状

目前,微小型飞行器主要朝着两个不同目的的方向发展,即研究性与实用性。

●研究性微小型飞行器

研究性微小型飞行器主要以大学和科研机构为研究力量,仍然追寻DARPA于1996年讨论的“15cm尺寸”目标,并研制出各种各样探索性的微小型飞行器。但目前这些探索性微小型飞行器多数仅限于飞行表演与技术摸索,携带设备载荷的能力很低,甚至不携带任务载荷,同时需要人为遥控进行稳定飞行。近几年,已有研究机构成功研制出尺寸略大,但具有一定自主飞行控制与导航能力的智能微小型飞行器,如荷兰代尔夫特技术大学已研制出新型的28cm微小型扑翼飞行器“DelFly Explorer”,并实现自行起飞和室内自主避障飞行;美国伊利诺伊大学香槟分校航空机器人与控制实验室最近也研制出世界上最先进的仿蝙蝠扑翼无人机“Bat Bot”,其内部搭载微处理器与6自由度惯性测量单元实现自主飞行;德国FESTO公司也研制出多种仿生微小型扑翼飞行器,包括仿生鸟、仿生蝴蝶与仿生蜻蜓,它们除了能够实现单个飞行器自主飞行外,还能进行自主协同编队飞行。

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图4 具备自主飞行能力的微小型扑翼飞行器:DelFly Explorer(左上);Bat Bot(右上);FESTO公司的仿生鸟(左下)与仿生蝴蝶(右下)

此外,近几年仍有一大批高校科研人员努力探索,寻找新的突破口,成功研制出仅蜜蜂与苍蝇大小的超微型飞行器,如美国加州大学伯克利分校研制出25mm大的微机械飞行昆虫(Micromechanical Flying Insect)、宾夕法尼亚大学研制出硬币大小的“Piccolissimo”3D打印超微型旋翼飞行器、哈佛大学研制出30mm大的“RoboBee”仿生蜜蜂机器人,但是目前它们只能无控制地“飞行”一小段距离或悬停很短时间。未来对研究者们的最大挑战是如何通过集成微处理器和高能量密度轻型电池使得超微型飞行器更加自动化和飞行更长的时间。

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图5 超微型飞行器:微机械飞行昆虫(左上);“RoboBee”仿生蜜蜂机器人(右上);“Piccolissimo”3D打印旋翼飞行器(下)

一般来说,扑翼飞行器的难度与自由度有关,自由度越多,难度越高,这也是仿生扑翼飞行器的制作困难所在。自由度,简单来讲就是定位一个物体所需的参数,比如空间坐标系中定位一个物体就需x、y、z三个自由度。拿蝙蝠举个例子吧,大概是40个自由度,如果直接模仿所有的自由度将使得机器蝙蝠复杂地无法起飞。

近日哈佛大学的一个机器人研究团队研发出了一种机器苍蝇。它利用仿生学,模拟了自然界中的鸟类、蝴蝶等这些生物,并可以像它们一样飞行、栖息。

研究人员们从 3D 折叠立体书那里获得灵感,给这个微型机器人装上了翅膀。这不同于微型无人机所采用的多旋翼设计,利用旋翼所产生的推力让飞行器飞起来。机器苍蝇的研发者们给这个微型飞行器装上了人造肌肉,让它每秒能拍击 120 次翅膀来,像动物一样飞行。

目前这个机器苍蝇的翼展只有 3 厘米,这让它成为了最小的能够飞行的设备。

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为了解决微型飞行器存在的电量问题,他们还模仿动物的栖息研发了静电吸附技术,让机器苍蝇通过栖息来节省能量。在栖息时的它所消耗的电量据称会缩小到飞行时的 1/1000。

《科学》的报道里机器苍蝇的研究人员称,这个机器苍蝇顶部有一个铜电极和泡沫底座组成的静电贴片,通过利用其产生的正负电荷之间的吸引力,机器苍蝇可以吸附到任何一个物体上,即使是一片不规整的叶子。

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为了保证这个机器苍蝇通过它所产生的静电能吸附到物体上,它的重量只有 86 毫克,比一只真正的苍蝇还要轻,甚至比一个微型飞行器所要求的标准都要小。

不过目前,它离独立飞行还差一步。因为在它的机身上还未装有电源装置,因此如果要让它飞起来,还需要用很细的电线将它跟外部电源连接起来才行。

研究人员希望能将足够小的电池加上去,探索除了机械翼以外微型飞行器新的可能。在未来他们希望,这个机器苍蝇可以被应用到灾难救援领域,协助搜寻幸存者、或者为登山者提供长距离通信支持等。

在动物界中普遍存在的却是利用翅膀的扑翼飞行,具有极高的飞行效率和灵活的操控性,从鸟类到昆虫,甚至远古的翼龙都拥一双巨大的翅膀翱翔蓝天。今天要为大家带来的就是一只先机的扑翼飞行器——BatBot,伊利诺伊大学香槟分校和加州理工的研究人员们从自然界中最复杂的生物蝙蝠出发,创造出了这只小蝙蝠~~

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蝙蝠的翅膀构造尤为复杂,由手和具有弹性的皮肤演化成了高效的翅膀。研究表明,蝙蝠的翅膀具有40个自由度十分复杂,这也是蝙蝠仿生机器人的困难所在。

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蝙蝠的功能群(functional groups)。图中列举了蝙蝠的关节角度和功能群组;利用这些功能群可以对蝙蝠飞行时四肢的复杂运动进行分类,以及提取主要的DOF并将它们结合到蝙蝠的飞行动力学中。所选择的DOF通过一系列的机械约束和虚拟约束进行耦合。

如果直接模仿所有的自由度将使得机器蝙蝠复杂地无法起飞。于是研究人员们将自由度削减至五个,但也使机器蝙蝠保留了蝙蝠57%的飞行动力学性能。自由度分别在肩部、肘部、腕部、腿部和尾部。

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它的翼膜采用了硅基碳纤维加强膜,厚度只有56μm轻薄且强度高。通过机械耦合结构,一个直流无刷电机驱动左右翼同时进行扑翼飞行。而余下自由度的调整则通过空心杯电机来执行。在每一个关节处还放置了霍尔编码器以监测关节的运动角度。同时利用IMU来监测飞行的姿态信息。整个机器人的MCU为STM32M4,并通过DSM2接收机和蓝牙与地面基站通信。整个机器人翼展47cm重93g,可以达到10Hz的扑翼频率。

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现在这只B2蝙蝠机器人已经可以完成翻转和俯仰飞行了,相信不断的改进过后可以实现更好的运动效果:

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无障碍飞行和控制器结构。(A)零路径(zero-path)直航的快照。(B)俯冲快照。(C)主控制器由独立控制器C1和变形控制器C2组成。

这只来自哈佛大学的扑翼飞行器十分小巧、和一个硬币一般大小,但是同时具有飞行器的传感、执行等功能。

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下面是三轴姿态角度示意图:

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它可以像无人机一样灵活的飞行。

ref:http://micro.seas.harvard.edu/papers/Fuller_ICRA13.pdf

蜻蜓植入芯片变身混合型无人机

从美国麻省理工学院(MIT)独立而出的德雷珀实验室(The Charles Stark Draper Laboratory)在蜻蜓中嵌入了一种“光极”(optrode),这是一种比光纤更小、更灵活的新型光导,可用于实现其DragonflEye混合无人机系统,续航高达几个月。以后无人机吃点虫子,吃点草能无限续航,想想好激动哦!请加工业智能化微信号:robotinfo 学习工业智能化知识

这种光极本身将可用于医疗与诊断,而在装载于活蜻蜓时,则可用于侦察、监测与载重送货,以及引导授粉,从而协助更已耗尽的蜂群。

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第一代的背包引导系统包括能量采集、导航,以及按蜻蜓模型的比例进行光学仿真。(来源:Draper)

早在电子时代以前,美国国防部(DoD)就一直试图将真的昆虫变成仿生机器人。他们最大的突破是将侦测器植入昆虫的幼虫,以便在其变态成为成熟的成虫后拥有肉眼无法检测的内建能力。随着微机电系统(MEMS)的出现,美国国防部大多放弃了真的昆虫,改用昆虫般大小的微型无人机。然而,除了天文数字般的庞大成本以外,最大的问题就在于电池寿命。

而只要有食物、水和阳光,Draper配备监控设备的蜻蜓DragonflEye就能维持长达几个月的寿命。

“DragonflEye系统的独特之处在于它是专为实现自主性而设计的,它能从环境能源(如太阳能)进行充电。来自环境中的高效能量有助于缩小系统,使得蜻蜓不会被庞大的电池拖累。”Draper生物医学工程师暨该计划的首席研究员Jesse Wheeler表示:“为了向蜻蜓发送转向指令,必须在蜻蜓的神经线光线周围传送光线——其神经线相当于钓鱼细线的大小。为此,我们开发了一种新的光极技术,它非常灵活,而且能够在急转弯时曲折光线。”

此外,相较于笨重的人造无人机,真正的蜻蜓动作极其敏捷又迅速,拥有媲美9G大转弯的机动能力。

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在迭加至蜻蜓背包系统之前的开发板与组件特写(来源:Draper)

Wheeler说:“相较于人造的无人机,昆虫在升空、保持稳定飞行以及储存从食物而来的补充能源方面更有效率。DragonflEye系统正是利用了这些生物优势,创造出一种比任何人造无人机更小、更轻且更具隐密性的仿生无人机。”Draper并与霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute;HHMI)合作。

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Draper计划首席研究员解释DragonflEye仿生机器人的原理 (来源:Draper)

Wheeler说,“开发DragonflEye计划的技术为昆虫(也包括重要的授粉昆虫,如密蜂)的飞行行为研究提供了新的工具。此外,我们灵活的光极技术将为医学研究人员提供利用微型纤维神经的全新解决方案,使其得以展开更精确治疗疾病的新研究。”

eMotion蝴蝶仿生飞行机器人

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这件eMotion蝴蝶仿生机器人是由德国费斯托公司研发制造的。该公司制造了大量的,以生物为灵感的飞行机器人,但是这个蝴蝶机器人要比其他的仿生飞行机器人要漂亮。每一个都能独立操作,通过能够独立控制的翼来调整自己,按照预编程的路线飞行(有兴趣的朋友可以找找该公司之前开发的蜻蜓和小鸟)。

蝴蝶仿生机器人每只 翼展长度是50厘米,重量只有32克。有两台电动机独立的驱动两只翅膀,一个IMU,加速计,陀螺仪,指南针,还有两个90毫安的聚合物电池。

每秒拍打1-2次翅膀,最高速度可达到2.5m/s,飞行3-4分钟就得充15分钟的电。机翼本身使用的是碳纤维骨架,并覆盖更薄的弹性电容膜。

扑翼仿生飞行器发展进展插图53

未来的仿鸟型微型飞行器具有以下特点:气动性能好(能主动适应和利用不同气流环境)、机动性强(可穿越狭小复杂空间)、飞行效率高(低能量消耗获得长距离飞行)、易于隐身(采用仿生飞行的方式迷惑敌方)等优势,因而可克服微型固定翼及旋翼无人机成本高、能量利用率低、隐身能力弱等缺陷,具有巨大的发展潜力和应用前景。

目前的仿鸟型微型飞行器主要从飞行方式进行仿生,即单纯靠扑动翼扑动同时产生升力和推力进行飞行,但气动效率与鸟类相比仍然有很大差距,此外在传感、驱动和控制等方面鸟类飞行机理的研究仍然处于初级阶段,所以亟需进一步的深入研究才能使仿鸟型微型飞行器具有像鸟类一样卓越的飞行能力。本文主要从气动、结构与飞行稳定性等方面进行分析和总结。

仿鸟型扑翼飞行器和仿昆虫型扑翼飞行器虽然都属于扑翼飞行器,但它们的飞行机理却有着很大区别。

仿鸟型扑翼飞行器像鸟类一样以平飞为主要飞行方式,扑动频率一般在10~20 Hz,升力主要来源于前飞速度产生的升力。而仿昆虫型扑翼飞行器则与昆虫类似,其主要飞行状态是悬停,扑动频率为20~600 Hz[7],它们的升力主要靠扑动翼的纯扑动产生。由于其具有很高的扑动频率,且扑动翼质量占总重量的比例较小(小于5%),所以机体受扑动翼的影响较小,飞行过程中不会产生明显振动,所以气动、结构与飞行力学之间的耦合问题不是很突出。相反,仿鸟型扑翼飞行器的低扑动频率和高扑动翼质量占比,使得气动、结构与飞行力学的耦合关系很强,是设计高效、高性能仿鸟型扑翼飞行器不能忽略的问题。

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扑动飞行生物的雷诺数(定义见式1)、扑动频率、翅膀重量占比的关系[6]

仿鸟型扑翼飞行器的研制是一个多学科设计过程,目前仍面临着以下问题:1) 鸟类和仿鸟型扑翼飞行的非定常气动机理尚不明确;2) 柔性扑动翼结构形式复杂、扑动过程中会产生大幅变形等特点,针对该类气动结构耦合问题目前缺少既高效又相对准确的计算方法;3) 缺乏高精度、高效的气动、结构与飞行动力学耦合的计算方法,不能满足控制律设计和优化设计的输入需求。只有解决好上述各个学科的难点问题和多学科之间的耦合问题,才能设计出像鸟类一样具有卓越飞行能力的扑翼飞行器。

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仿鸟型扑翼飞行器多学科设计过程

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法国航空工程师Edwin Van Ruymbeke一直是一个拥有奇思妙想的创造者。

五年前,他创造了可以用手机App控制的遥控仿真鸟,而这一次,他创造了同系列的仿真飞行昆虫MetaFly

BionicBird:手机遥控,遛鸟随心所欲

Bionic Bird是Edwin VanRuymbeke五年前发起众筹的一款小型飞行器,拥有逼真的鸟类外形,以及与MetaFly同样轻便小巧的身体,飞起来的时候,还会吸引到真正的鸟类。

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Bionic Bird通体呈黑色,和麻雀差不多大。身长17cm,翅展33cm,重量只有8.85g,仿照鸟类的飞行方式设计而成。全速飞行时,翅膀每秒可扇动18下,虽然不及麻雀的30Hz,但足以支撑起在离地二十几米的空中飞行。

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Bionic Bird采用特殊的泡沫塑料和碳纤维制成,外壳轻盈且坚固,不怕因碰撞产生损伤。

与MetaFly一样,它可以在室外飞行,也可以在室内飞行。

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不同的是,Bionic Bird没有配备遥控器,而是需要用户下载一个名为The Flying App的官方应用程序。该程序分为虚拟摇杆和重力感应两种模式,可以用手指控制飞行,也可以倾斜手机来进行方向控制。

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不仅控制方式简单,飞行方式也同样简单:只需要打开飞行开关,再将BionicBird丢向空中,它就可以在你的控制下自由飞翔啦。

它的充电方式也特别有趣,官方配备了一个蛋型的无线充电器,只要将飞累了的小鸟放在蛋上即可开始充电。充电12分钟可以飞行8分钟,全速飞行只能飞6分钟,最远可飞行1.8km。如果是在户外,这个蛋型充电器能够储存十次充电的电量,意味着Bionic Bird一共可在户外飞行88分钟,这样就能够一次玩个痛快了。

MetaFly:蝴蝶般轻盈的玩具飞行器

MetaFly比起飞行器更像是一只巨型蝴蝶,一对无比显眼的翅膀彰显了它的飞行方式。是的,与一般的无人机不同,MetaFly只要像蝴蝶一样扇一扇翅膀就能够飞行。

依靠翅膀飞行的昆虫需要一对宽大的翅膀以及轻盈的身体,MetaFly也同样具备这两个特征。它的翼展长度能达到29cm,身长19cm,只有巴掌大小,整体重量还不到10g,因此这双翅膀才能带着纤细的身体飞向空中。

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光是能飞还不够,飞行器还必须要有坚韧的身体,以免因飞行中产生的撞击或气流而损毁。

MetaFly的翅膀采用了碳纤维、液晶聚合物和定向聚丙烯制成的支架,保证了它的强度和柔韧度,随意弯折也不会断裂。

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头部和身体的防撞外壳和柔性腿能够防止它在降落时或者飞行时撞到物体而损坏,同时,轻巧的机身也保证了其不会对人的身体造成伤害。

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被扔到地面上,或者撞到坚硬物体上也很难有损伤。

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MetaFly由专用的遥控器进行控制,遥控器设计十分简单,只有一个方向杆和一个速度杆,最大控制范围为100米。

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MetaFly的飞行速度最高可达18km/h,改变尾翼的角度就可以改变飞行方向。由于小巧的身形和灵活的身姿,MetaFly不仅可以在户外空旷的场地飞行,

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也可以在狭小的室内上下翻飞,

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甚至还能操控着它穿过树木细小的枝丫。

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只需轻轻向前一抛,MetaFly便会展开翅膀,飞翔起来。

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如果不小心撞掉了某个部件,或者被熊孩子拆开了也没有关系,因为MetaFly的安装十分简单便捷,完全可以自行操作。

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MetaFly在充满电的情况下能够飞行8分钟,这也许会让大部分人觉得不够尽兴,但是它只需要12分钟就能够充满电,这种充电速度还是能够满足你的游玩需求的。如果是在室外,则只需要购买一个扩展包,用内含的充电器和充电线就可以在室外给MetaFly提供足够的电力了。

目前MetaFly正在进行众筹,预售价69欧元起,如果你感兴趣,可以登录Kickstarter官网进行了解。下面是MetaFly的宣传视频:

不过出人意料的是:MetaFly的设计起源要追溯到上世纪六十年代,Edwin Van Ruymbeke的祖父和父亲在当时制作了一只机械飞鸟…飞起来了没有极果君不知道,但这件事对他的影响无疑是巨大的。

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Edwin 在很小的时候,就立志继承家族传统,并真的成为了一名航空工程师,并献身于仿生飞行的研究当中…

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扑翼仿生飞行器发展进展认证作者,无人机行业知名站长,知乎无人机专栏创作者。
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