Maleńki czteroskrzydły owad-robot lata bardziej jak prawdziwy

Wiele owadów jest potężnymi, zwinnymi lotnikami. Jednym z powodów jest to, że większość z nich ma cztery skrzydła, co daje im precyzyjną kontrolę nad kierunkiem lotu i orientacją poprzez regulację nachylenia, przechyłu i odchylenia.

W ostatnich latach aerodynamicy, inżynierowie i robotycy próbowali skopiować lot podobny do owada, budując maleńkie latające roboty. Najważniejszą rzeczą, którą odkryli, jest to, jak trudne jest to.

Czteroskrzydły robot (po prawej) obok dwuskrzydłowej konstrukcji i amerykańskiego pensa

Jedna z najmniejszych maszyn latających, jakie kiedykolwiek zbudowano, nazywała się RoboBee; był napędzany przez dwa trzepoczące skrzydła, każde niezależnie napędzane własnym małym siłownikiem. Rzeczywiście, RoboBee było możliwe tylko dzięki opracowaniu tych małych siłowników, każdy ważący zaledwie 25 miligramów.

Ale był problem. Teoretycznie dwa trzepoczące skrzydła RoboBee powinny być w stanie wygenerować wszystkie siły niezbędne do kontrolowanego lotu. W praktyce jednak maszyna nie była w stanie generować sił wystarczająco potężnych, aby kontrolować zbaczanie, więc często kołysała się w niekontrolowany sposób.

Lepszym projektem byłby pojazd w skali owada, który miałby cztery trzepoczące skrzydła, zupełnie jak prawdziwe owady. Byłoby to jednak możliwe tylko wtedy, gdyby siłowniki były znacznie lżejsze.

Wejdź do Xiufeng Yang i kumpli z Uniwersytetu Południowej Kalifornii w Los Angeles. Ci faceci opracowali siłowniki, które są o połowę lżejsze od poprzednich wersji. Cztery z nich wykorzystali do zbudowania robota z czterema trzepoczącymi skrzydłami, każde o rozpiętości zaledwie 33 milimetrów. Rezultatem jest przypominająca owada maszyna latająca o nazwie Bee+. Jest w stanie przysiąść, lądować, podążać ścieżką i omijać przeszkody.

Przełom opiera się na sprytnym elemencie inżynierii. Siłowniki w RoboBee 2013 były typu zwanego bimorfami. Są to wsporniki wykonane z dwóch warstw materiału piezoelektrycznego oddzielonych warstwą pasywną. Warstwy piezoelektryczne na przemian kurczą się, zmuszając wspornik do wyginania się w przód iw tył. Ten ruch napędza trzepotanie skrzydeł.

Siłowniki te są proste, małe i lekkie, dzięki czemu idealnie nadają się do lotu owadów. Dwa bimorficzne siłowniki RoboBee ważą zaledwie 50 miligramów, co stanowi znaczną część całkowitej masy urządzenia wynoszącej 75 miligramów.

Ale Yang i spółka znaleźli sposób, aby uczynić je jeszcze lżejszymi, używając projektu siłownika zwanego unimorfem. Zamiast dwóch warstw materiału piezoelektrycznego, unimorf wykorzystuje pojedynczy pasek przymocowany do warstwy pasywnej. Powtarzające się kurczenie warstwy piezoelektrycznej powoduje wygięcie wspornika. A ruch końcówki wspornika napędza trzepotanie skrzydła.

Ta jednowarstwowa konstrukcja sprawia, że ​​siłowniki są znacznie lżejsze. Rzeczywiście, cztery jednokształtne aktuatory ważą tylko 56 miligramów, zaledwie kilka gramów więcej niż dwa bimorfy. Co więcej, siłowniki unimorph upraszczają proces montażu. Nowatorski projekt znacznie zmniejsza złożoność procesu produkcyjnego i statystyczną częstotliwość błędów montażowych w porównaniu z robotami dwuskrzydłowymi, mówią Yang i współpracownicy.

A ponieważ całkowita masa pojazdu z czterema skrzydłami wynosi 95 miligramów, obciążenie skrzydeł jest znacznie mniejsze niż w przypadku RoboBee. Zmniejsza to siły działające na siłowniki i zwiększa ich żywotność. Według zespołu proponowane podejście ma wiele zalet pod względem masy, wymiarów, aerodynamiki, sterowania i wykonania.

Jedną z wad Bee+ (i innych podobnych do owadów ulotek, takich jak RoboBee) jest to, że musi być zasilany za pomocą uwięzi. Dzięki temu Yang i spółka mogą zademonstrować swoją zdolność latania bez martwienia się o oddzielne wyzwanie związane z magazynowaniem energii. Inni zademonstrowali robotyczne owady zasilane promieniami laserowymi. Jednak moc pokładowa to wciąż spore wyzwanie.

Tutaj możesz zobaczyć, jak Bee+ przechodzi swoje kroki .

To interesująca praca pokazująca, jak postęp w robotach podobnych do owadów zależy w dużej mierze od postępów inżynieryjnych.

Rzeczywiście, desperacko potrzebne są dalsze postępy. Bee+ może być inspirowany owadami, ale przy wadze 95 miligramów jest potworem w porównaniu z prawdziwymi stworzeniami. Na przykład trzmiel waży około 10 miligramów i jest samowystarczalny.

Inżynierowie będą więc musieli zmniejszyć rozmiar i wagę swoich maszyn o co najmniej rząd wielkości, a to przed rozważeniem problemu magazynowania energii, który jest jeszcze trudniejszy do rozwiązania. Z tego powodu może minąć trochę czasu, zanim zobaczymy roboty o prawdziwie owadopodobnych możliwościach.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : Czteroskrzydły, latający robot o wadze 95 mg, napędzany przez bliźniacze siłowniki jednomorfów

ukryć