Насекомые отличаются невероятной ловкостью и устойчивостью в полете. Вспомните, как пытались отогнать надоедливого комара. Эти качества 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 Юфенг Чен сделал систему, приближенную к маневренности насекомых.
Чен, сотрудник отдела электротехники и информатики и исследовательской лаборатории электроники, разработал беспилотные летательные аппараты размером с насекомых, обладающие беспрецедентной маневренностью и устойчивостью. Роботы работают от нового класса мягкого привода, что позволяет им выдерживать воздействие полета. Чен надеется, что однажды роботы смогут помочь людям, опыляя посевы или проводя осмотр оборудования в замкнутом пространстве.
Работа Чена появится в этом месяце в журнале IEEE Transactions on Robotics. Среди его соавторов доктор Массачусетского технологического института Жицзян Рен, доктор Гарвардского университета Сии Сюй и робототехник Городского университета Гонконга Пакпонг Чирараттананон.
Как правило, дронам требуются широкие открытые пространства, потому что они недостаточно маневренны, чтобы перемещаться в ограниченном, и недостаточно прочны, чтобы выдерживать столкновения. «Если мы посмотрим на большинство дронов сегодня, они довольно большие», – отмечает Чен. «Многие их задачи связаны с полетами на открытом воздухе. Вопрос в том, можно ли создать роботов размером с насекомое, которые могут перемещаться в очень сложных, загроможденных пространствах?».
По словам Чена, «задача создания небольших воздушных роботов чрезвычайно сложная». Такие дроны требуют принципиально иной конструкции, чем более крупные. Большие дроны обычно приводятся в движение двигателями, но они теряют эффективность, когда уменьшаются. Для роботов, похожих на насекомых, «нужно искать альтернативу».
До сих пор ею 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 исполнительные устройства 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 хлопать почти 500 раз в секунду, придавая дрону устойчивость к внешним воздействиям. «Вы можете его ударить в процессе полета, но он восстановит траекторию», – рассказывает 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 с помощью робота сантиметрового масштаба – всегда впечатляющее достижение», – рассказывает 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, что не сильно затруднит 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, который в настоящее время требуется из-за высокого рабочего напряжения исполнительных механизмов. «Я жду, 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, что является давним направлением исследований. 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 изменить некоторые вещи и посмотреть, как это влияет на кинематику или как изменяются силы жидкости. Это поможет понять, как насекомые летают». Но Чен стремится сделать больше, чем просто добавить новую информацию в учебники энтомологии. Его дроны также могут быть полезны в промышленности и сельском хозяйстве.
Чен говорит, что его мини-дроны могут управлять сложными механизмами, обеспечивая безопасность и функциональность. «Подумайте об осмотре газотурбинного двигателя. Вы бы хотели, чтобы дрон перемещался по замкнутому пространству с небольшой камерой для проверки трещин на турбинах».
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», – отмечает Чен. Не всегда больше, значит лучше.