微型飞行器（MAV）通常指那些和鸟类或者昆虫大小相当的飞行器。虽然这些“小家伙”有诸多潜在的应用，但开发和制造并不容易。

目前，MAV面临的一个主要问题是飞行时间的限制。通常，它们只能维持半个小时左右的飞行。而超轻型无人飞行器，也就是质量不足10克的那些，往往只能在空中停留不到10分钟。延长飞行时间的一种潜在方法是借助可持续的能源提供动力，比如太阳能。但飞行器越小，收集阳光的表面积也就越小，这就在一定程度上限制了能够产生的能量。

但在一项新研究中，一组中国科学家团队制造出了目前最小、最轻的太阳能飞行器——“库仑飞行器”（CoulombFly，“库仑”是电荷量的单位）。这架飞行器的外形独树一帜，它结合了太阳能电池、电压转换器和静电电动机，驱动着一个类似直升机的螺桨。

所有部件都经过了精心优化，兼顾着效率和重量。它小到可以放在手掌上，翼展20厘米，比一枚硬币还轻，只有4.21克。在阳光下，这种新型超轻型无人飞行器可以一直飞行。

手掌大小的“库仑飞行器”。（图/Shen et al，Nature）

做个直观的比较，先前最小的太阳能动力飞行器是宽约2米、重2.6千克的四轴飞行器。也就是说，新型飞行器的宽度缩小到了此前的十分之一，质量也减轻到只有此前的约六百分之一。研究已于近日发表在《自然》上。

创新的结构设计

先前的太阳能动力的飞行器通常依靠电磁电动机，利用电磁产生运动。但这种电动机往往需要大量金属线圈，会增加飞行器的质量。此外，随着飞行器体积的缩小，电磁电动机的效率也会显著下降。更小的电磁电动机与更大的相比，摩擦力要大得多，而且由于部件的电阻，能量损失相比之下也更大，升力转换效率也就变低了。

团队因此决定开发一种静电电动机。不同的是，这种电动机依靠电荷的吸引力和斥力，而不是磁相互作用，为电动机提供动力。研究开发的静电电动机只有1.52克，效率可以达到其他微型飞行器电动机的两到三倍。它包含两个环。内环是一个旋转的转子，有64片叶，每条都由覆盖铝箔的碳纤维片制成。它就像一个弯成圆形的木栅栏，栅栏柱子间留着空隙。而外环装有8对交替的正负电极板，每块由碳纤维片和铝箔制成。每块板的边缘都有一个铝制刷子，刷子与内圈的板条接触。

静电电动机的结构设计。红色和蓝色分别代表正负电极板，灰色代表转子叶。（图/Shen et al., Nature）

这种静电电动机的上方是一个20厘米宽的螺桨，与转子相连；下方是一个平台，平台的一边是高功率密度的砷化镓薄膜太阳能电池，而另一边则是细长的电源转换器。每个砷化镓薄膜太阳能电池的尺寸为4厘米×6厘米，质量为0.48克。虽然砷化镓价格昂贵，但这种材料的能量转换效率很高，超过30%。

电动机上方的螺桨。（图/Shen et al., Nature）

长时间的飞行

阳光可以为库仑飞行器的外环充电，使16块电极板产生电场。外环板上的电刷接触内环为转子叶充电。外环电极板的电场对带电转子叶产生作用力，让内环和螺桨旋转。

研究人员在北京阳光明媚的日子进行了测试。在自然光条件下（每平方米约920瓦特光），从中午开始，飞行器可以在一秒内起飞，并在空中盘旋一个多小时。测试显示，只要阳光提供足够的能量，飞行器可以一直飞行下去，性能没有任何下降。

目前飞行器还没有机载控制硬件，不能定向飞行。但是，这个推进系统可以产生高达5.8克的升力。换句话说，它可以支持大约1.59克的额外有效载荷，足以容纳最小的可用传感器、控制器、摄像头等，支持未来的自主操作。

进一步优化

研究人员还讨论了一系列优化设计的方法。他们认为，包括电动机、螺桨和电路等方面仍有改进空间，进一步提高额外有效载荷。此外，飞行器应该也可以携带微型锂离子电池，储存太阳能电池的能量，即使在阳光不足的时候也能飞行。

研究通讯作者、北京航空航天大学漆明净教授在接受IEEE采访时表示，他的终极目标是制造一种超微型飞行器，尺寸和重量和蚊子差不多，翼展不到一厘米。他和团队已经研制出了这种飞行器的原型，宽8毫米、重9毫克。但暂时还无法依靠自身动力飞行。他相信，随着微电路技术的发展，这个目标指日可待。

参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07609-4

https://spectrum.ieee.org/smallest-drone

https://arstechnica.com/science/2024/07/researchers-build-ultralight-drone-that-flies-with-onboard-solar/

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02316-6

封面图&首图来源：Shen et al., Nature