Робопчелу научили садиться по-комарьи

Американские инженеры разработали шасси для миниатюрного орнитоптера RoboBee, которое позволяет хрупкому микродрону с массой меньше 100 миллиграмм совершать безопасную посадку, не опасаясь падений и поломок из-за воздушных потоков вблизи поверхности. Каждая из четырех посадочных опор состоит из двух углеволоконных сегментов, соединенных двумя упругими суставами, играющими роль амортизаторов. Испытания показали, что робопчела может успешно приземляться на различные поверхности, демонстрируя повышенную устойчивость и надежность посадки по сравнению с предыдущей версией опор. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

Инженеры из Гарварда уже больше десяти лет работают над созданием миниатюрных махолетов размером с насекомое. Первый рабочий прототип робопчелы RoboBee массой около 100 миллиграмм они представили еще в 2013 году. С тех пор в конструкцию микродрона было внесено множество улучшений. Робопчелу, например, научили плавать под водой и выныривать, прилипать с помощью электроадгезии к поверхностям и летать, используя энергию света.

Для полета микроорнитоптер использует пьезоэлектрические актуаторы — тонкие пластины, которые изгибаются под действием электрического поля, приводя в движение крылья с частотой до 170 герц. Они энергоэффективны и легки, но не очень прочны и легко ломаются при ударах. Предыдущие поколения RoboBee оснащались простыми жесткими ножками из углеволокна, предназначенными только для удержания аппарата в стоячем положении, но не для амортизации при посадке. Поэтому во время приземления возникал высокий риск поломок — полет робопчелы вблизи поверхности очень неустойчив из-за возникающих при этом воздушных потоков и вихрей (эффект близости поверхности, он же экранный эффект).

В своей новой работе инженеры под руководством Роберта Вуда (Robert J. Wood) из Гарвардского университета попытались решить проблему безопасной посадки робопчелы, разработав для нее новое шасси. Чтобы во время приземления двукрылый робот массой 100 миллиграмм с размахом крыльев 30 миллиметров оставался выше критической зоны аэродинамической нестабильности, вызванной эффектом близости поверхности, было решено сделать ноги робота более длинными.

Источником вдохновения для конструкции опор стал комар-долгоножка. Это крупное насекомое схожее размером с RoboBee обладает очень длинными ногами, которые служат эффективными демпферами, гасящими энергию при посадке. Разработчики подробно изучили пропорции ног 27 реальных насекомых — соотношение длин сегментов (голени и лапки), а также расположение суставов. Основываясь на этой информации, они спроектировали несколько вариантов искусственных ног с сегментами из углеволокна и суставами из полиимидной пленки (каптон) и термопластичного эластомера (TPE).

Во время испытаний разработчики оценивали три параметра: насколько сильно робот с четырьмя опорами будет отскакивать после приземления, насколько он при этом смещается по горизонтали (точность приземления), а также вероятность того, что он вообще удержится на ногах. В результате наиболее оптимальным оказался вариант ног с двумя суставами, в котором нижний сегмент составляет 60 процентов от общей длины. По сравнению с жесткими ногами изначальной версии, новая конструкция значительно снизила отскок и позволила роботу успешно приземляться даже при крене до тридцати градусов.

Также инженеры создали систему управления, обеспечивающую точную и мягкую посадку. Они использовали подход, которые применяют некоторые летающие насекомые: перед посадкой робот сначала ускоряется, а затем на финальном этапе замедляется, аккуратно приближаясь к поверхности. В самом конце перед касанием робот переходит в режим свободного падения, полностью полагаясь на амортизирующие свойства ног.

Финальным испытанием стала демонстрация посадки в реальных условиях на лист комнатного растения. Робот взлетел с одного листа, перелетел на другой и успешно приземлился на его податливую поверхность. Несмотря на то, что лист слегка качнулся после контакта, робот сохранил равновесие. В будущем авторы планируют исследовать возможность безопасного приземления робота на более неровные поверхности, включая наклонные. Кроме того, они попробуют разработать и оснастить робопчелу собственными сенсорами, с помощью которых микродрон смог бы садиться автономно, без использования внешнего оборудования для управления полетом.

Другая команда инженеров недавно представила робота-прыгуна на основе миниатюрного махолета. Робот имеет массу меньше одного грамма и представляет собой микроорнитоптер снизу которого закреплена пассивная нога с пружинным элементом. Робот способен прыгать по заданной траектории, преодолевает высокие препятствия и даже способен выполнить сальто