仿生软体四旋翼共同解锁敏捷性、可压缩性与抗碰撞能力

自然飞行者利用柔软的翅膀无缝地实现了广泛的飞行行为，包括敏捷机动、挤过狭窄通道以及承受碰撞。相比之下，传统的四旋翼设计依赖于刚性框架，虽然支持敏捷飞行，但本质上限制了抗碰撞能力和可压缩性，从而限制了在杂乱环境中的飞行能力。受生物体中观察到的各向异性刚度和分布式质能结构启发，我们引入了 FlexiQuad，一种限制这种权衡的软框架四旋翼设计方法。我们展示了一个 405 克的 FlexiQuad 原型，其柔顺性比传统四旋翼高三个数量级，但仍能执行峰值速度超过 80 km/h、线加速度和角加速度分别超过 3 g 和 300 rad/s$^2$ 的杂技机动。分析表明，在推重比达到 8 之前，它可以复制刚性对应物的加速度。同时，FlexiQuad 表现出四倍高的抗碰撞能力，能在 5 m/s 的正面冲击下幸存且无损坏，并在擦碰中将失稳力减小 39 倍。其框架可以完全压缩，使其能够通过宽度仅为其标称宽度 70% 的缝隙。我们的分析确定了一个 0.006 至 0.77 N/mm 的最佳结构柔软度范围，与自然飞行者的翅膀相当，使得 20 至 3000 克的 FlexiQuad 模型能够共同实现敏捷性、可压缩性和抗碰撞能力。FlexiQuad 扩展了悬停无人机在复杂环境中的能力，在不牺牲飞行性能的情况下实现了稳健的物理交互。