Et lille firfløjet robotinsekt flyver mere som den ægte vare

Mange insekter er kraftfulde, adrætte flyvere. En grund er, at de fleste har fire vinger, hvilket giver dem fin kontrol over deres flyveretning og deres orientering gennem justering af hældning, rulning og krøjning.

I de senere år har aerodynamikere, ingeniører og robotikere forsøgt at kopiere insektlignende flyvninger ved at bygge små flyvende robotter. Det vigtigste, de har opdaget, er, hvor svært dette er.

En firefløjet robot (til højre) ved siden af ​​et tofløjet design og en amerikansk penny

En af de mindste flyvemaskiner, der nogensinde er bygget, hed RoboBee; den blev drevet frem af to flagrende vinger, hver uafhængigt drevet af sin egen lille aktuator. Faktisk var RoboBee kun mulig takket være udviklingen af ​​disse små aktuatorer, der hver kun vejer 25 milligram.

Men der var et problem. I teorien burde RoboBees to blafrende vinger have været i stand til at generere alle de kræfter, der er nødvendige for kontrolleret flyvning. I praksis var maskinen dog ude af stand til at generere kræfter, der var kraftige nok til at kontrollere giring, så den logrede ofte ukontrolleret.

Et bedre design ville have været et køretøj i insektskala, der havde fire flagrende vinger, ligesom rigtige insekter. Men dette ville kun have været muligt, hvis aktuatorerne var væsentligt lettere.

Indtast Xiufeng Yang og venner fra University of Southern California i Los Angeles. Disse fyre har udviklet aktuatorer, der er halvdelen af ​​vægten af ​​tidligere versioner. De brugte fire af dem til at bygge en robot med fire flagrende vinger, hver med et spænd på kun 33 millimeter. Resultatet er en insektlignende flyvemaskine kaldet Bee+. Den er i stand til at sidde på sæde, lande, følge en sti og undgå forhindringer.

Gennembruddet er baseret på et smart stykke ingeniørkunst. Aktuatorerne i 2013 RoboBee var af en type kaldet bimorfer. Disse er cantilevers lavet af to lag piezoelektrisk materiale adskilt af et passivt lag. De piezoelektriske lag trækker sig skiftevis sammen og tvinger cantileveren til at bøje frem og tilbage. Denne bevægelse driver blafren af ​​en vinge.

Disse aktuatorer er enkle, små og lette, hvilket gør dem perfekte til insektlignende flyvning. RoboBees to bimorfe aktuatorer vejer kun 50 milligram, en betydelig del af enhedens samlede masse på 75 milligram.

Men Yang og co har fundet en måde at gøre dem endnu lettere ved at bruge et aktuatordesign kaldet en unimorf. I stedet for to lag piezoelektrisk materiale bruger en unimorf en enkelt strimmel fastgjort til et passivt lag. Den gentagne sammentrækning af det piezoelektriske lag får cantileveren til at bøje. Og bevægelsen af ​​spidsen af ​​cantilever driver vingeflapningen.

Dette enkeltlagsdesign gør aktuatorerne væsentligt lettere. Faktisk vejer de fire unimorfe aktuatorer kun 56 milligram, kun et par gram mere end to bimorfe. Desuden forenkler de unimorfe aktuatorer monteringsprocessen. Det nye design reducerer fabrikationsprocessens kompleksitet og den statistiske frekvens af monteringsfejl betydeligt sammenlignet med to-fløjede robotter, siger Yang og co.

Og da køretøjets samlede vægt er 95 milligram med fire vinger, er vingebelastningen væsentligt mindre end for RoboBee. Det reducerer kræfterne, der virker på aktuatorerne og forlænger deres levetid. Den foreslåede tilgang har adskillige fordele med hensyn til vægt, dimensioner, aerodynamik, kontrol og fremstilling, siger holdet.

En mangel ved Bee+ (og andre insektlignende flyers som RoboBee) er, at den skal drives via en tøjring. Dette giver Yang og co mulighed for at demonstrere deres flyveevne uden at bekymre sig om den separate udfordring med energilagring. Andre har demonstreret robotinsekter drevet af laserstråler. Men kraften ombord er stadig en betydelig udfordring.

Du kan se Bee+ gennemgå sine trin her .

Det er interessant arbejde, der viser, hvordan fremskridt i insektlignende robotter afhænger afgørende af tekniske fremskridt.

Der er faktisk desperat behov for flere fremskridt. Bee+ kan være inspireret af insekter, men med sine 95 milligram er det en gigant sammenlignet med de rigtige skabninger. En humlebi, for eksempel, vejer omkring 10 milligramS og er selvdrevet til at starte.

Så ingeniører bliver nødt til at reducere størrelsen og vægten af ​​deres maskiner med mindst en størrelsesorden, og det er før man overvejer problemet med strømlagring, som er endnu mere vanskeligt at løse. Af den grund kan der gå noget tid, før vi ser robotter med virkelig insektlignende egenskaber.

Ref: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : En 95-mg firevinget flyvende robot i insektskala, drevet af tvillede enmorfe aktuatorer

skjule