Исследователи представляют новое поколение крошечных и маневренных дронов

Если вы когда-либо отмахивались от комара у своего лица, только чтобы он возвращался снова (и снова и снова), вы знаете, что насекомые могут быть удивительно акробатичными и устойчивыми в полете.

Эти качества помогают им ориентироваться в воздушном мире со всеми его порывами ветра, препятствиями и общей неопределенностью. Такие черты также трудно встроить в летающих роботов. Но доцент Массачусетского технологического института Кевин Юфенг Чен построил систему, которая приближается к ловкости насекомых.

Чен, сотрудник отдела электротехники и информатики и исследовательской лаборатории электроники, разработал беспилотные летательные аппараты размером с насекомых, обладающие беспрецедентной ловкостью и устойчивостью.

Воздушные роботы оснащены мягким приводом нового класса, который позволяет им выдерживать физические нагрузки реального полета. Чен надеется, что однажды роботы смогут помочь людям, опыляя посевы или проводя осмотр оборудования в ограниченном пространстве.

Работа Чена появится в этом месяце в журнале IEEE Transactions on Robotics. Его соавторами являются аспирант Массачусетского технологического института Чжицзян Рен, аспирант Гарвардского университета Сийи Сюй и робототехник из городского университета Гонконга Пакпонг Чирараттананон.

Как правило, дронам требуются широкие открытые пространства, потому что они недостаточно маневренны, чтобы перемещаться в ограниченном пространстве, и недостаточно прочны, чтобы выдерживать столкновения в толпе.

«Если мы посмотрим на большинство дронов сегодня, они обычно довольно большие», – говорит Чен.

«Большинство их применений связано с полетами на открытом воздухе. Вопрос в том, можно ли создать роботов размером с насекомых, которые могут перемещаться в очень сложных, загроможденных пространствах?»

По словам Чена, «задача создания небольших воздушных роботов огромна». Дроны размером с пинту требуют принципиально иной конструкции, чем более крупные.

Большие дроны обычно приводятся в действие двигателями, но двигатели теряют эффективность, когда вы их уменьшаете. Итак, говорит Чен, для роботов, похожих на насекомых, «вам нужно искать альтернативы».

Основной альтернативой до сих пор было использование небольшого жесткого привода, изготовленного из пьезоэлектрических керамических материалов.

Хотя пьезоэлектрическая керамика позволила первому поколению крошечных роботов взлететь, они довольно хрупкие. И это проблема, когда вы создаете робота, имитирующего насекомое — шмели, собирающие пищу, терпят столкновение примерно раз в секунду.

Чен разработал более прочный крошечный дрон, в котором использовались мягкие приводы вместо жестких и хрупких.

Мягкие актуаторы состоят из тонких резиновых цилиндров, покрытых углеродными нанотрубками. Когда к углеродным нанотрубкам прикладывается напряжение, они создают электростатическую силу, которая сжимает и удлиняет резиновый цилиндр. Повторяющееся удлинение и сжатие заставляет крылья дрона биться быстро.

Приводы Чена могут сокращаться почти 500 раз в секунду, придавая дрону устойчивость к внешним воздействиям. «Вы можете поразить его, когда он летит, и он может восстановиться», – говорит Чен. «Он также может выполнять агрессивные маневры, такие как сальто в воздухе». И он весит всего 0,6 грамма, что примерно равно массе большого шмеля.

Дрон немного похож на крошечную кассету с крыльями, хотя Чен работает над новым прототипом в форме стрекозы.

«Полет робота сантиметрового масштаба – всегда впечатляющий подвиг», – говорит Фаррелл Хелблинг, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Корнельского университета, который не принимал участия в исследовании.

«Из-за присущего мягким исполнительным механизмам податливости робот может безопасно врезаться в препятствия, не сильно затрудняя полет. Эта функция хорошо подходит для полета в загроможденной динамической среде и может быть очень полезна для любого количества реальных приложений».

Хелблинг добавляет, что ключевым шагом на пути к этим приложениям станет отключение роботов от проводного источника питания, которое в настоящее время требуется из-за высокого рабочего напряжения приводов.

«Я взволнован, увидев, как авторы снизят рабочее напряжение, чтобы в один прекрасный день они смогли достичь беспрепятственного полета в реальных условиях».

Создание роботов, похожих на насекомых, может открыть окно в биологию и физику полета насекомых, что является давним направлением исследований для ученых.

Работа Чена решает эти вопросы с помощью своего рода обратной инженерии. «Если вы хотите узнать, как летают насекомые, очень поучительно построить масштабную модель робота», – говорит он.

«Вы можете повлиять на некоторые вещи и посмотреть, как это влияет на кинематику или как изменяются силы жидкости. Это поможет вам понять, как эти вещи летают».

Но Чен стремится сделать больше, чем просто добавить материалов в учебники энтомологии. Его дроны также могут быть полезны в промышленности и сельском хозяйстве.

Чен говорит, что его мини-авиалайнеры могут управлять сложными механизмами, чтобы обеспечить безопасность и функциональность. «Подумайте об осмотре газотурбинного двигателя. Вы бы хотели, чтобы дрон перемещался по [замкнутому пространству] с небольшой камерой, чтобы проверить наличие трещин на пластинах турбины».

Другие потенциальные применения включают искусственное опыление сельскохозяйственных культур или выполнение поисково-спасательных операций после стихийного бедствия.

«Все эти вещи могут быть очень сложными для существующих крупных роботов», – говорит Чен. Не всегда больше — лучше.

Материалы:

1. https://www.spacewar.com/reports/Researchers_introduce_a_new_generation_of_tiny_agile_drones_999.html