Если вы когда-нибудь отгоняли комара от своего лица только для того, чтобы он возвращался снова (и снова, и снова), вы знаете, что насекомые могут быть удивительно акробатичны и устойчивы в полете. Эти свойства помогают им ориентироваться в воздушном мире со всеми его порывами ветра, препятствиями и общей неопределенностью. Такие черты трудно встроить в летающих роботов, но доцент Массачусетского технологического института Кевин Юфэн Чэнь (Kevin Yufeng Chen) создал систему, которая приближается к ловкости насекомых.

Чэнь, сотрудник отдела электротехники и компьютерных наук и исследовательской лаборатории электроники, разработал беспилотные летательные аппараты размером с насекомое с беспрецедентной ловкостью и устойчивостью. Воздушные роботы приводятся в действие новым классом мягкого привода, который позволяет им выдерживать физические тяготы реального полета. Чэнь надеется, что в один прекрасный день роботы смогут помочь людям, опыляя посевы или проводя осмотр машин в тесных помещениях.

Работа Чэня появилась в этом месяце в журнале IEEE Transactions on Robotics. Среди его соавторов — аспирант Массачусетского технологического института Чжицзянь Жэнь (Zhijian Ren), аспирант Гарвардского университета Сийи Сюй (Siyi Xu) и робототехник гонконгского Городского университета Пакпонг Чирараттананон (Pakpong Chirarattananon).

Как правило, дроны требуют широких открытых пространств, потому что они недостаточно проворны, чтобы перемещаться в ограниченном пространстве, и недостаточно надежны, чтобы противостоять столкновениям в толпе. «Если мы посмотрим на большинство дронов сегодня, они обычно довольно крупные, — говорит Чэнь. — Обычно их применение связано с полетами на открытом воздухе. Вопрос заключается в следующем: можно ли создать роботов размером с насекомое, которые смогут перемещаться в очень сложных, загроможденных пространствах?»

По словам Чэня, «задача создания небольших воздушных роботов огромна». Беспилотники размером с пчелу требуют принципиально иной конструкции, чем более крупные. Большие дроны обычно питаются от двигателей, но двигатели теряют эффективность, когда вы их сжимаете. Поэтому, объясняет разработчик, для насекомоподобных роботов «нужно искать альтернативы.»

Главным образом альтернативой до сих пор выступал малый твердый привод из пьезоэлектрических керамических материалов. Хотя пьезоэлектрическая керамика позволила первому поколению крошечных роботов взлететь, они довольно хрупкие. И это проблема, когда вы строите робота, чтобы имитировать насекомое, — кормящиеся шмели выдерживают столкновение примерно раз в секунду.

Чэнь разработал более упругий крошечный беспилотник, используя мягкие приводы вместо жестких, и хрупких. Мягкие приводы выполнены из тонких резиновых цилиндров, покрытых углеродными нанотрубками. Когда на углеродные нанотрубки подается напряжение, они создают электростатическую силу, которая сжимает и удлиняет резиновый цилиндр. Повторяющиеся удлинения и сокращения заставляют крылья дрона биться быстро.

Приводы Чэня могут вибрировать почти 500 раз в секунду, придавая дрону насекомоподобную устойчивость. «Вы можете ударить его, когда он летит, и он восстановится, — уверяет изобретатель. — Он также может совершать агрессивные маневры, например кувыркаться в воздухе». А весит он всего 0,6 грамма, что примерно соответствует массе крупного шмеля. Беспилотник немного напоминает крошечную кассету с крыльями, хотя Чэнь работает над новым прототипом в форме стрекозы.

Создание насекомоподобных роботов может обеспечить открытия в биологии и физике полета насекомых, давних областях исследования. Работа Чэня решает эти вопросы с помощью своего рода обратной инженерии. «Если вы хотите узнать, как летают насекомые, очень полезно построить масштабную модель робота, — говорит он. — Вы можете изменить некоторые вещи и посмотреть, как это влияет на кинематику или как изменяются силы жидкости. Это поможет вам понять, как эти штуки держатся в воздухе». Но Чэнь стремится сделать больше, чем просто добавить параграф в учебники энтомологии. Его беспилотники также могут быть полезны в промышленности и сельском хозяйстве.

Чэнь заверяет, что его мини-аэронавты смогут управлять сложными механизмами, чтобы обеспечить безопасность и функциональность: «Подумайте о проверке турбинного двигателя. Мы бы хотели, чтобы беспилотник двигался вокруг замкнутого пространства с небольшой камерой и проверял трещины на пластинах турбины».

Другие потенциальные области применения включают искусственное опыление сельскохозяйственных культур или выполнение поисково-спасательных операций после стихийного бедствия. «Все эти вещи могут быть очень сложными для существующих крупномасштабных роботов», — напоминает Чэнь. Иногда чем мельче, тем лучше.


Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210303093505.htm

от AI_NEWS

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *