И выполнил двойное сальто
Американские инженеры разработали миниатюрный орнитоптер массой около 750 миллиграмм, который способен продержаться в воздухе более 1000 секунд, что на два порядка превышает показатели существующих аналогов. Дрон оснащен четырьмя крыльями и обладает достаточной маневренностью, чтобы следовать по сложным траекториям со средней скоростью 30 сантиметров в секунду с отклонением менее сантиметра. Кроме того, микродрон способен выполнять в воздухе акробатические трюки: одиночные и двойные перевороты. Статья с описанием конструкции опубликована в журнале Science Robotics.
На сегодняшний день большинство дронов создаются по мультикоптерной схеме с несколькими вращающимися пропеллерами. Однако с уменьшением размеров эффективность такой схемы падает, из-за чего для миниатюрных дронов с массой меньше грамма приходится использовать не винты, а крылья. При взмахах с частотой в несколько сотен герц они способны генерировать достаточную для полета субграммового микродрона подъемную силу. Однако низкая долговечность искусственных материалов в микромасштабных конструкциях по сравнению с биологическими аналогами до недавнего времени накладывала серьезные ограничения на продолжительность полета подобных аппаратов.
Группа инженеров под руководством Юй Фэн Чэня (Yufeng Chen) из Массачусетского технологического института уже несколько лет разрабатывает микроорнитоптеры с крыльями, похожими на крылья насекомых. В 2019 году, например, они представили восьмикрылый дрон массой 640 миллиграмм. В движение каждое крыло приводилось диэлектрическим эластомерным актуатором из свернутой в рулон полоски, состоящей из чередующихся слоев эластомера и нанотрубок, выступающих в роли электрода. При подаче на электроды напряжения, они начинают притягиваться друг к другу, деформируя эластомер, благодаря чему актуатор сокращается в длину, передавая движение через тяги трансмиссии на машущее крыло, закрепленное на торце модуля с актуатором. Всего таких модулей в дроне было четыре, с двумя крыльями на каждом. Продолжительность полета орнитоптера не превышала 10 секунд. За это время гибкие полиамидные шарниры крыльев успевали износиться, в результате чего происходили поломки.
Инженеры решили преодолеть это ограничение и изменили конструкцию крыла и актуаторного модуля. Главная причина поломок заключалась в коротком шарнире, длина которого составляла менее 20 процентов от размаха крыла. В новой версии он был удлинен и теперь проходит через все крыло, что снижает возникающие в нем напряжения более чем в тысячу раз. В конструкцию трансмиссии, превращающей поступательные движения актуатора в махи крыла, добавили две дополнительные направляющие, ограничивающие деформацию по поперечной оси, что увеличило амплитуду маха и подъемную силу. Также инженеры увеличили площадь крыла. За счет этого удалось снизить количество крыльев в новой конструкции дрона в два раза. Теперь вместо восьми на нем установлено только четыре идентичных актуаторных модуля с четырьмя крыльями, которые изготовлены из нескольких слоев материалов, включая углеродное волокно и полиэстер. Каждый модуль состоит из углеволоконного каркаса, мягкого диэлектрического актуатора, трансмиссии и крыла с шарниром. Общая масса дрона — 750 миллиграмм. Питание к актуаторам поступает от внешнего источника по проводам.
Эксперименты показали, что отношение подъемной силы к весу дрона составляет 2,2. Максимальная подъемная сила при оптимальной долговечности актуаторов (они постепенно деградируют во время работы) достигается при напряжении около 1920 вольт и частоте 330 герц. Эта частота была выбрана в качестве рабочей. В испытаниях на продолжительность полета дрон продержался в воздухе непрерывно в течение 1000 секунд (около 17 минут), что в 100 раз превышает возможности созданных ранее аналогов.
Дрон может успешно следовать по заданными траекториям, например, по горизонтальной восьмерке и окружностям, со скоростью до 36 сантиметров в секунду и погрешностью менее одного сантиметра. Кроме того, разработчики продемонстрировали способность орнитоптера следовать по сложной трехмерной траектории (вращающаяся восьмерка) со средней скоростью 30 сантиметров в секунду и погрешностью 1,05 сантиметра в горизонтальной плоскости и 0,34 сантиметра по высоте. Также дрон смог успешно выполнить одиночные и двойные сальто, восстанавливая устойчивость после этих маневров практически без потери высоты. Во время двойного переворота максимальная угловая скорость вращения достигла 7200 градусов в секунду, что на 40 процентов превышает аналогичный показатель у дрозофил.
Помимо собственной массы дрон способен поднимать до 500 миллиграмм полезной нагрузки, чего, по мнению разработчиков, должно быть достаточно для размещения сенсоров системы восприятия и собственного источника питания. Авторы работы считают, что рой подобных микродронов мог бы, например, выполнять работу по искусственному опылению растений в будущем.
Эксперименты по созданию автономных микродронов ранее уже проводились другой группой американских инженеров. Они создали миниатюрный махолет, получающий энергию для полета из установленной на нем солнечной панели, освещаемой лазером.