Роботизированные насекомые когда-нибудь смогут помочь в механическом опылении

Благодаря более эффективному методу искусственного опыления фермеры в будущем смогут выращивать фрукты и овощи в многоуровневых складах, повышая урожайность и одновременно смягчая некоторые вредные воздействия сельского хозяйства на окружающую среду.
Чтобы воплотить эту идею в реальность, исследователи Массачусетского технологического института разрабатывают роботизированных насекомых, которые когда-нибудь смогут вылететь из механических ульев и быстро выполнить точное опыление. Однако даже самые лучшие роботы размером с насекомое не сравнятся с естественными опылителями, такими как пчелы, когда дело касается выносливости, скорости и маневренности.
Теперь, вдохновленные анатомией этих естественных опылителей, исследователи пересмотрели свой дизайн, чтобы создать крошечных воздушных роботов, которые гораздо более проворны и долговечны, чем предыдущие версии. Их исследование опубликовано в Science Robotics.
Новые боты могут зависать в воздухе около 1000 секунд, что более чем в 100 раз дольше, чем демонстрировалось ранее. Роботизированное насекомое, которое весит меньше скрепки, может летать значительно быстрее, чем аналогичные боты, выполняя акробатические маневры, такие как двойные воздушные сальто.
Модернизированный робот призван повысить точность и маневренность полёта , одновременно минимизируя механическую нагрузку на изгибы его искусственных крыльев , что обеспечивает более быстрые маневры, повышенную выносливость и более длительный срок службы.
Новая конструкция также имеет достаточно свободного пространства, чтобы робот мог нести крошечные батареи или датчики, которые позволят ему летать самостоятельно за пределами лаборатории.
«Продолжительность полёта, продемонстрированная нами в этой статье, вероятно, превышает общую продолжительность полёта, которую наша область смогла накопить с помощью этих роботизированных насекомых. Благодаря улучшенной продолжительности жизни и точности этого робота мы приближаемся к некоторым весьма интересным приложениям, таким как вспомогательное опыление», — говорит Кевин Чен.
К Чэню, доценту кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS), руководителю лаборатории мягкой и микроробототехники в исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старшему автору статьи о новой разработке, находящейся в открытом доступе, в работе над статьей присоединились соавторы Сухан Ким и И-Сюань Сяо, аспиранты EECS; а также аспирант EECS Чжицзянь Жэнь и приглашенный на летний срок студент Цзяшу Хуан.
Повышение производительности
Предыдущие версии роботизированного насекомого состояли из четырёх идентичных блоков, каждый с двумя крыльями, объединенных в прямоугольное устройство размером с микрокассету.
«Но не существует насекомых с восемью крыльями. В нашей старой конструкции производительность каждого отдельного блока всегда была выше, чем производительность собранного робота», — говорит Чэнь.
Это падение производительности было частично вызвано расположением крыльев, которые при взмахах нагнетали воздух друг на друга, что уменьшало подъёмную силу, которую они могли создать.
Новая конструкция разрезает робота пополам. Теперь у каждого из четырёх одинаковых блоков есть одно машущее крыло, направленное от центра робота, что стабилизирует крылья и увеличивает их подъёмную силу. С вдвое меньшим количеством крыльев эта конструкция также освобождает место, чтобы робот мог нести электронику.
Кроме того, исследователи создали более сложные трансмиссии, которые соединяют крылья с приводами или искусственными мышцами, которые ими машут. Эти прочные трансмиссии, которые требовали проектирования более длинных шарниров крыльев, снижают механическую нагрузку, которая ограничивала выносливость прошлых версий.
«По сравнению со старым роботом мы теперь можем генерировать управляющий крутящий момент в три раза больше, чем раньше, поэтому мы можем выполнять очень сложные и очень точные полёты по поиску пути», — говорит Чэнь.
Но даже с этими нововведениями в дизайне все ещё есть разрыв между лучшими роботизированными насекомыми и реальными. Например, у пчелы всего два крыла, но она может выполнять быстрые и высококонтролируемые движения.
«Крылья пчел управляются очень сложным набором мышц. Этот уровень тонкой настройки действительно интригует нас, но мы пока не смогли его воспроизвести», — говорит он.
Меньше напряжения, больше силы
Движение крыльев робота осуществляется искусственными мышцами. Эти крошечные мягкие приводы сделаны из слоев эластомера, зажатых между двумя очень тонкими электродами из углеродных нанотрубок, а затем свернуты в мягкий цилиндр. Приводы быстро сжимаются и удлиняются, создавая механическую силу, которая машет крыльями.
В предыдущих конструкциях, когда движения привода достигают чрезвычайно высоких частот, необходимых для полёта, устройства часто начинают изгибаться. Это снижает мощность и эффективность робота. Новые трансмиссии подавляют это изгибающе-изгибающее движение, что снижает нагрузку на искусственные мышцы и позволяет им прикладывать больше силы для взмаха крыльями.
Другая новая конструкция включает в себя длинный шарнир крыла, который уменьшает напряжение кручения, испытываемое во время взмахивания крыла. Изготовление шарнира, который составляет около 2 сантиметров в длину, но всего 200 микрон в диаметре, было одной из самых сложных задач.
«Если в процессе изготовления возникнет хотя бы небольшая проблема с выравниванием, шарнир крыла будет наклонным, а не прямоугольным, что повлияет на кинематику крыла», — говорит Чэнь.
После многочисленных попыток исследователи усовершенствовали многоступенчатый процесс лазерной резки, который позволил им с точностью изготовить каждый шарнир крыла.
При установке всех четырёх модулей новое роботизированное насекомое может зависать в воздухе более 1000 секунд, что соответствует почти 17 минутам, без какого-либо ухудшения точности полёта.
«Когда мой ученик Немо выполнял этот полёт, он сказал, что это были самые медленные 1000 секунд, которые он провел за всю свою жизнь. Эксперимент был чрезвычайно нервным», — говорит Чэнь.
Новый робот также достиг средней скорости 35 сантиметров в секунду, самой быстрой скорости, о которой сообщают исследователи полёта, выполняя при этом перевороты и двойные сальто. Он даже может точно отслеживать траекторию, которая составляет MIT.
«В конце концов, мы продемонстрировали полёт, который оказался в 100 раз более продолжительным, чем у кого-либо ещё в этой области, так что это чрезвычайно захватывающий результат», — говорит он.
На этом этапе Чэнь и его ученики хотят увидеть, насколько далеко они смогут продвинуть эту новую конструкцию, поставив себе цель добиться полёта продолжительностью более 10 000 секунд.
Они также хотят улучшить точность роботов, чтобы они могли приземляться и взлетать из центра цветка. В долгосрочной перспективе исследователи надеются установить на воздушных роботах крошечные батареи и датчики, чтобы они могли летать и ориентироваться за пределами лаборатории.
«Эта новая роботизированная платформа является крупным результатом работы нашей группы и открывает множество интересных направлений. Например, внедрение датчиков, батарей и вычислительных возможностей в этого робота станет центральным направлением в течение следующих трёх-пяти лет», — говорит Чэнь.
Автор Станислав Иванов
Контакты, администрация и авторы