Робот-пчела RoboBee X-Wing

Возвращаясь ко времени Леонардо да Винчи, полет животных вдохновлял и мы стремились подражать природе, строя машины пытающиеся летать при помощи взмахов крыльев. В статье Н.Т. Джеферис в журнале «Nature» сообщают о ключевом шаге к эмуляции полета насекомых. Разработанное устройство, по утверждениям исследователей, является самым легким беспроводным летательным аппаратом масштаба насекомых.

 

Помимо эстетической радости от имитации природы, роботы с колеблющимся крылом обладают рядом потенциальных преимуществ перед беспилотниками с фиксированным крылом и квадрокоптерами (вертолеты с четырьмя винтами). Крылья делают животных, и машины, построенных по их подобию, очень маневренными. Например, летучие мыши могут легко летать через подвалы, пещеры и густые леса. Кроме того, взмахи крыльев, как правило, производятся с меньшими наклонными скоростями относительно гребных винтов, и поэтому они тише и наносят меньший урон при столкновении с людьми или предметами.

 

Кроме того, биологи могут использовать роботов с колеблющимся крылом для решения фундаментальных вопросов об эволюции процесса полета у животных. Полёт при помощи взмахов крыльев,  вдохновленный биологией был областью научного интереса, особенно в последние пару десятилетий. В результате исследований ученые достигли впечатляющих успехов в понимании аэродинамики бионических летающих роботов, созданными на основе биологии.

Для того чтобы робот-пчела полетел, нужно было решить три проблемы. Во-первых, материалы, используемые для сборки робота, должны были быть прочными, но легкими. Во-вторых, сконструированные человеком исполнительные механизмы (устройства, преобразующие энергию в движение) и аккумуляторы все еще далеки от реализации плотности энергии биологической ткани. И, в-третьих, алгоритмы восприятия и контроля, которые животные обычно используют для поддержания устойчивого полета и маневрирования, оказались ошеломляюще сложными. Эти алгоритмы трудно имитировать даже с использованием суперкомпьютера, несмотря на тот факт, что в типичном мозге насекомых имеется всего около миллиона нейронов, что на порядки меньше, чем количество компонентов в системе обработки суперкомпьютера.

 

Работа Н.Т. Джеферис и коллег основана на результатах нескольких лет впечатляющих исследований и разработок. Авторы объединяют множество разнообразных технологий в рамках усилий по проектированию и перепроектированию систем для достижения устойчивого полета робота размером с насекомое, этот робот получил название RoboBee X-Wing. Устойчивый полёт с источником питания является энергетически требовательным и существующая технология производства батарей сильно отстает от природы, в способности обеспечить легкий и ёмкий источник энергии. Предыдущие летающие роботы размером с насекомое полагались на электрический «трос», чтобы снабдить систему полета необходимой энергией.

 

Авторы RoboBee X-Wing обходят эту проблему довольно изобретательно, используя солнечные панели, расположенные сверху робота-пчелы. Освещение панелей высокоинтенсивным источником света предоставляет примерно 120 милливатт электрической энергии, необходимой для управления системой общим весом в 259 миллиграмм. Джефферис и его коллеги утверждают, что их роботы достигают устойчивого полета, а не просто прыгают или отрываются от поверхности.

 

Создание легкой, но прочной конструкции самолетов всегда было первым препятствием при их конструировании. Для небольших летающих устройств может быть полезен закон куба-квадрата. Согласно этому закону,  при уменьшении размера транспортного средства его масса уменьшается быстрее, чем площадь поверхности крыла (которая пропорциональна генерируемой подъемной силе). Тем не менее, существуют ещё более сложные задачи при проектировании миниатюрных летательных аппаратов, такие как проблемы изготовления надежной и точной искусственной системы "крыльев" и "мышц".

 

В основе RoboBee лежит система крыльев, выполненная из композитного материала и изготовленная с использованием процесса, известного как лазерная обработка. Этот процесс является отличительной чертой данного проекта. Разработчики проекта являются участниками исследовательской группы в Гарвардской лаборатории микроробототехники в Кембридже, штат Массачусетс. Они создали инструмент проектирования и производства малой робототехники, который, достигнув определенной стадии развития, стал бесценным ресурсом для разработчиков. В современной конструкции системы крыльев используется инновационная конфигурация с четырьмя крыльями, которые колеблются вперед и назад. Это движение приводится в действие встроенными пьезоэлектриками (материалами преобразующими электричество в механическую силу) и генерирует достаточную подъемную силу при приемлемых потребностях мощности питающего устройства.