Sīks četrspārnu robotkukainis lido vairāk kā īsts

Daudzi kukaiņi ir spēcīgi, veikli skrejlapas. Viens no iemesliem ir tas, ka lielākajai daļai ir četri spārni, kas ļauj precīzi kontrolēt lidojuma virzienu un orientāciju, izmantojot slīpuma, sānsveres un leņķa regulēšanu.

Pēdējos gados aerodinamiķi, inženieri un robotiķi ir mēģinājuši kopēt kukaiņiem līdzīgu lidojumu, veidojot mazus lidojošus robotus. Galvenais, ko viņi ir atklājuši, ir tas, cik tas ir grūti.

Četru spārnu robots (pa labi) blakus divu spārnu dizainam un ASV santīmam

Viena no mazākajām lidošanas mašīnām, kas jebkad uzbūvēta, saucās RoboBee; to virzīja divi plīvojošie spārni, katrs neatkarīgi darbināja savu mazo izpildmehānismu. Patiešām, RoboBee bija iespējams, tikai pateicoties šo mazo izpildmehānismu izstrādei, katrs sverot tikai 25 miligramus.

Taču radās problēma. Teorētiski RoboBee diviem plīvojošiem spārniem bija jāspēj radīt visus spēkus, kas nepieciešami kontrolētam lidojumam. Tomēr praksē mašīna nespēja radīt pietiekami jaudīgus spēkus, lai kontrolētu novirzīšanos, tāpēc tā bieži nekontrolējami kustējās.

Labāks dizains būtu bijis kukaiņu mēroga transportlīdzeklis ar četriem plīvojošiem spārniem, tāpat kā īstiem kukaiņiem. Bet tas būtu bijis iespējams tikai tad, ja izpildmehānismi būtu ievērojami vieglāki.

Ienāc Sjufens Jangs un draugi no Dienvidkalifornijas universitātes Losandželosā. Šie puiši ir izstrādājuši izpildmehānismus, kas ir uz pusi mazāki nekā iepriekšējās versijas. Viņi izmantoja četrus no tiem, lai izveidotu robotu ar četriem plīvojošiem spārniem, no kuriem katrs ir tikai 33 milimetrus. Rezultāts ir kukaiņiem līdzīga lidojoša mašīna ar nosaukumu Bee+. Tas spēj nosēsties, nolaisties, sekot ceļam un izvairīties no šķēršļiem.

Izrāviena pamatā ir gudrs inženierijas darbs. 2013. gada RoboBee izpildmehānismi bija tāda veida, ko sauc par bimorfiem. Tie ir konsoles, kas izgatavotas no diviem pjezoelektriskā materiāla slāņiem, kas atdalīti ar pasīvo slāni. Pjezoelektriskie slāņi pārmaiņus saraujas, liekot konsolei saliekties uz priekšu un atpakaļ. Šī kustība veicina spārna plivināšanu.

Šie izpildmehānismi ir vienkārši, mazi un viegli, tāpēc tie ir lieliski piemēroti kukaiņu lidojumam. RoboBee divi bimorfie izpildmehānismi sver tikai 50 miligramus, kas ir ievērojama daļa no ierīces kopējās masas, kas ir 75 miligrami.

Bet Yang un co ir atraduši veidu, kā padarīt tos vēl vieglākus, izmantojot izpildmehānisma konstrukciju, ko sauc par unimorfu. Divu pjezoelektriskā materiāla slāņu vietā unimorfā tiek izmantota viena sloksne, kas piestiprināta pasīvajam slānim. Atkārtota pjezoelektriskā slāņa kontrakcija izraisa konsoles saliekšanos. Un konsoles gala kustība izraisa spārna plivināšanu.

Šis viena slāņa dizains padara izpildmehānismus ievērojami vieglākus. Patiešām, četri unimorfie izpildmehānismi sver tikai 56 miligramus, tikai par dažiem gramiem vairāk nekā divi bimorfi. Turklāt unimorfie izpildmehānismi vienkāršo montāžas procesu. Jaunais dizains ievērojami samazina ražošanas procesa sarežģītību un montāžas kļūdu statistisko biežumu salīdzinājumā ar divspārnu robotiem, saka Yang un co.

Un tā kā transportlīdzekļa kopējais svars ar četriem spārniem ir 95 miligrami, spārnu slodze ir ievērojami mazāka nekā RoboBee. Tas samazina spēkus, kas iedarbojas uz izpildmehānismiem, un palielina to kalpošanas laiku. Piedāvātajai pieejai ir daudz priekšrocību svara, izmēru, aerodinamikas, kontroles un izgatavošanas ziņā, norāda komanda.

Viens Bee+ (un citu kukaiņiem līdzīgo skrejlapu, piemēram, RoboBee) trūkums ir tāds, ka tam ir jābūt darbināmam, izmantojot saiti. Tas ļauj Yang un co demonstrēt savas lidošanas spējas, neuztraucoties par atsevišķu enerģijas uzkrāšanas izaicinājumu. Citi ir demonstrējuši robotu kukaiņus, kurus darbina lāzera stari. Taču borta jauda joprojām ir ievērojams izaicinājums.

Šeit varat noskatīties, kā Bee+ norisinās .

Tas ir interesants darbs, kas parāda, kā kukaiņiem līdzīgu robotu attīstība ir ļoti atkarīga no inženierijas sasniegumiem.

Patiešām, ir ārkārtīgi nepieciešami papildu sasniegumi. Bee+, iespējams, ir iedvesmojuši kukaiņi, taču 95 miligrami tas ir bezgalīgs salīdzinājumā ar īstajiem radījumiem. Piemēram, kamene sver aptuveni 10 miligramus S, un tā sāk darboties ar pašu spēku.

Tāpēc inženieriem būs jāsamazina savu mašīnu izmērs un svars vismaz par vienu pakāpi, un tas ir pirms jaudas uzglabāšanas problēmas apsvēršanas, kas ir vēl grūtāk atrisināt. Šī iemesla dēļ var paiet kāds laiks, līdz mēs ieraudzīsim robotus ar patiesi kukaiņiem līdzīgām iespējām.

Atsauce: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : 95 mg četrspārnu kukaiņu mēroga lidojošs robots, ko vada dvīņu vienmorfa izpildmehānismi

paslēpties