Миниатюрный орнитоптер стал одноногим прыгуном

Инженеры из США и Китая создали робота-прыгуна массой меньше грамма. Робот представляет собой миниатюрный орнитоптер, снизу которого закреплена пассивная нога с пружинным элементом. В отличие от прыгающих роботов с актуаторами в ногах, срабатывание которых происходит, пока робот находится на земле, новый робот приводится в движение и управляется крыльями орнитоптера. Робот способен прыгать по заданной траектории, преодолевает высокие препятствия и даже способен выполнить сальто. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Миниатюрные роботы размером с насекомое сталкиваются с двумя основными трудностями: ограниченным запасом энергии и необходимостью преодолевать препятствия, значительно превосходящие их собственные размеры. На таком масштабе проявляется главное преимущество роботов-прыгунов: в отличие от наземных роботов, они могут с легкостью перепрыгивать препятствия на пути, и при этом расходуют существенно меньше энергии в сравнении с летающими.

В апреле 2024 года группа инженеров из Городского университета Гонконга представила необычного робота-прыгуна массой всего 35 грамм. Устройство, получившее название Hopcopter, представляло собой миниатюрный квадрокоптер, снизу которого была прикреплена пассивная телескопическая нога с пружиной. В отличие от других роботов-прыгунов с актуаторами в ногах, Hopcopter активировался пропеллерами в воздушной фазе прыжка, а во время контакта с поверхностью пружина в ноге накапливала энергию, а после, разжимаясь, помогала совершить новый прыжок. Винты квадрокоптера включались только в нужный момент, чтобы компенсировать потери энергии при контакте с поверхностью, стабилизировать робота в воздухе и нацелить его ногу на следующую точку.

Теперь, чтобы сделать робопрыгуна еще меньше и легче, инженеры под совместным руководством Пакпонга Чирараттананона (Pakpong Chirarattananon) из Городского университета Гонконга и Юй Фэн Чэня (Yufeng Chen) из Массачусетского технологического института решили заменить квадрокоптер на разработанный ранее группой Чэня миниатюрный орнитоптер с несколькими крыльями.

Были созданы два варианта робота массой менее грамма. Первый оснащен восемью крыльями и единственной опорой в виде пассивной пружины из изогнутых пластин углеродного волокна массой. Второй робот имеет только четыре крыла и более короткую ногу со стальной пружиной. На долю орнитоптера и ноги приходится около восьмидесяти и двадцати процентов массы соответственно. Крылья приводятся в движение диэлектрическими эластомерными актуаторами, работающими с частотой 330–400 герц. Они представляют собой свернутые в рулон полоски из чередующихся слоев эластомера и электродов из нанотрубок. При подаче на электроды напряжения, те притягиваются друг к другу, деформируя эластомер, благодаря чему актуатор сокращается в длину, как мышца.

Как и у Hopcopter, эластичная нога, закрепленная снизу, накапливает и отдает энергию во время короткой (менее двадцати миллисекунд) фазы контакта с поверхностью. Далее следует фаза набора высоты, во время которой включаются крылья, помогая роботу компенсировать потерю энергии. На пике подъема система управления определяет следующую точку приземления, и с помощью крыльев ориентирует робота под нужным углом, после чего он падает к выбранной точке. Таким образом, крылья задействуются только для кратковременного набора высоты и корректировки положения, а не для полноценного полета.

Высота прыжка робота может варьироваться от полутора до двадцати сантиметров. Частота прыжков — от 2 до 8,4 герца. Скорость вращения корпуса достигает 7200 градусов в секунду. Максимальная скорость перемещения составляет 32 сантиметра в секунду и практически равна скорости полета орнитоптера. В ходе испытаний оба робота успешно перемещались по различным поверхностям, включая твердые (дерево, стекло), скользкие (лед, стекло с разлитой водой), сыпучие (почва) и деформируемые (трава, плавающий на воде лист лотоса). Робот может прыгать по заданным точкам с ошибкой позиционирования около 2,9 сантиметра при высоте прыжка 7 сантиметров. Кроме этого, он способен преодолевать препятствия высотой до 5,5 сантиметра, успешно восстанавливает равновесие при столкновениях и может даже выполнить сальто между приземлениями.

Благодаря использованию прыжков удалось снизить энергопотребление на 64 процента по сравнению с чистым полетом орнитоптера и увеличить полезную нагрузку более чем в десять раз — с двухсот миллиграмм до двух грамм, что в два раза превышает собственную массу робота. Благодаря этому, как считают инженеры, в будущем на борту можно будет разместить сенсоры, источник питания и другую необходимую электронику для автономной работы, которых сейчас нет — робот зависит от внешних систем.

Кстати, прыжки рассматриваются и как один наиболее перспективных способов передвижения для роботов в условиях низкой гравитации и вакуума, как на небольших небесных телах типа астероидов или ледяных лун планет гигантов. Недавно стало известно о проекте одноногого робота LEAP, которого исследователи планируют отправить на Энцелад, чтобы изучить образцы нижней части водяных выбросов криовулканов.