近日，bw西汉姆联集成电路科学与工程学院智能微机电系统团队在离子风推进微型飞行机器人及闭环控制方面取得重要突破。相关成果以“Controlled flight of high-thrust ultralight ion-propelled microrobot with integrated sensing”为题，在线发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-026-76462-y）。bw西汉姆联集成电路科学与工程学院为第一完成单位，青年教师陶倩楠与团队硕士毕业生顾洋为论文共同第一作者，李巍教授为唯一通讯作者。该工作得到了浙江大学、佛蒙特大学和华中科技大学等单位合作者的支持。
离子风技术为飞行机器人的微型化提供了全新途径。该技术无需机械运动部件即可产生推力，使得飞行器设计更加轻量化，并免去了传统旋翼或扑翼结构中高频机械致动器的复杂性。然而，此前该技术在实际应用中面临两大根本挑战：一是有效载荷能力严重不足，二是多自由度飞行控制极难实现，这极大地限制了离子风微型机器人的实际部署。
针对上述瓶颈，智能微机电系统团队提出并研制了一种具有高推重比的超轻型低成本离子推进微型机器人。团队创新性地采用折纸灵感设计，结合了聚酯（PET）薄膜的高弹性、超轻质与钨金属涂层的优异抗侵蚀及导电性能。最终制造出的微型机器人仅重36.7毫克，翼展37.7毫米。四个经过优化的离子风推进器呈十字形对称排列，使该机器人实现了5:1的卓越推重比。此外，得益于材料选择和一体化制造工艺，该机器人的材料成本不到0.1美元，且组装时间极短（少于30分钟），为未来微型机器人的大规模集群化部署克服了关键性障碍。
(a) 微型机器人与硬币尺寸对比；(b) 机器人的结构组件分解图；(c) 离子风产生原理；(d) 与其他飞行机器人的性能对比；(e) 潜在应用场景。
依托强大的负载能力，该机器人成功搭载了微型惯性测量单元（IMU），在国际上率先实现了基于IMU闭环控制的离子风微型机器人稳定飞行。实验结果显示，采用团队研发的自适应控制策略后，机器人的飞行稳定性大幅提升，其俯仰角和横滚角的均方根误差分别大幅降低了83.11%和89.21%，并成功实现了长达1小时的长续航系留悬停以及精确的复杂轨迹跟踪（如方形和三角形路径）。
此外，团队还进一步展示了该机器人在搭载高保真图像传感器和光纤布拉格光栅（FBG）传感器时，仍能保持优异的机动性以完成预定任务。实验成功演示了其在空中实时捕获环境图像，以及通过主动下降接触目标表面精准识别不同材质（如泡沫、黏土、石板及不同酸碱度液体）的能力。该研究不仅为微型飞行机器人的自主控制与多模态传感集成提供了全新的范式，也展示了其在狭窄受限空间监测、灾害救援和危险未知环境探索等复杂任务中的巨大应用潜力。
该工作得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）、江苏特聘教授项目、江苏省双创团队项目、bw西汉姆联自然科学科研启动基金、以及空天海地交叉研究项目等科研项目的资助。
