Et lite firvinget robotinsekt flyr mer som ekte vare

Mange insekter er kraftige, smidige flygere. En grunn er at de fleste har fire vinger, noe som gir dem god kontroll over flyretningen og orienteringen gjennom justering av stigning, rulling og giring.

De siste årene har aerodynamikere, ingeniører og robotikere forsøkt å kopiere insektlignende flyging ved å bygge små flygende roboter. Det viktigste de har oppdaget er hvor vanskelig dette er.

En firvinget robot (til høyre) ved siden av en tovinget design og en amerikansk penny

En av de minste flyvemaskinene som noen gang er bygget ble kalt RoboBee; den ble drevet frem av to flaksende vinger, hver uavhengig drevet av sin egen lille aktuator. Faktisk var RoboBee bare mulig takket være utviklingen av disse bittesmå aktuatorene, som hver veier bare 25 milligram.

Men det var et problem. I teorien burde RoboBees to blafrende vinger ha vært i stand til å generere alle kreftene som er nødvendige for kontrollert flyging. I praksis var maskinen imidlertid ikke i stand til å generere krefter kraftige nok til å kontrollere giring, så den logret ofte ukontrollert.

Et bedre design ville vært et kjøretøy i insektskala som hadde fire flaksende vinger, akkurat som ekte insekter. Men dette ville bare vært mulig hvis aktuatorene var betydelig lettere.

Gå inn i Xiufeng Yang og venner fra University of South California i Los Angeles. Disse karene har utviklet aktuatorer som veier halvparten av tidligere versjoner. De brukte fire av dem til å bygge en robot med fire flaksende vinger, hver med et spenn på bare 33 millimeter. Resultatet er en insektlignende flygemaskin kalt Bee+. Den er i stand til å sitte, lande, følge en sti og unngå hindringer.

Gjennombruddet er basert på et smart stykke ingeniørkunst. Aktuatorene i 2013 RoboBee var av en type som ble kalt bimorfer. Dette er utkragere laget av to lag med piezoelektrisk materiale atskilt av et passivt lag. De piezoelektriske lagene trekker seg vekselvis sammen, og tvinger utkragingen til å bøye seg frem og tilbake. Denne bevegelsen driver flaksingen av en vinge.

Disse aktuatorene er enkle, små og lette, noe som gjør dem perfekte for insektlignende flytur. RoboBees to bimorfe aktuatorer veier bare 50 milligram, en betydelig brøkdel av enhetens totale masse på 75 milligram.

Men Yang og co har funnet en måte å gjøre dem enda lettere ved å bruke en aktuatordesign kalt en unimorf. I stedet for to lag med piezoelektrisk materiale, bruker en unimorf en enkelt stripe festet til et passivt lag. Den gjentatte sammentrekningen av det piezoelektriske laget får utkragingen til å bøye seg. Og bevegelsen av spissen av utkrageren driver vingeklaffen.

Denne enkeltlagsdesignen gjør aktuatorene betydelig lettere. Faktisk veier de fire unimorfe aktuatorene bare 56 milligram, bare noen få gram mer enn to bimorfe. Dessuten forenkler de unimorfe aktuatorene monteringsprosessen. Den nye designen reduserer kompleksiteten til fabrikasjonsprosessen og den statistiske frekvensen av monteringsfeil betraktelig sammenlignet med den til tovingede roboter, sier Yang og co.

Og siden totalvekten til kjøretøyet er 95 milligram med fire vinger, er vingebelastningen betydelig mindre enn for RoboBee. Det reduserer kreftene som virker på aktuatorene og øker levetiden deres. Den foreslåtte tilnærmingen har mange fordeler når det gjelder vekt, dimensjoner, aerodynamikk, kontroll og fabrikasjon, sier teamet.

En mangel ved Bee+ (og andre insektlignende flyers som RoboBee) er at den må drives via en tjor. Dette gjør at Yang og co kan demonstrere sin flyevne uten å bekymre seg for den separate utfordringen med energilagring. Andre har demonstrert robotinsekter drevet av laserstråler. Men kraft ombord er fortsatt en betydelig utfordring.

Du kan se Bee+ gå gjennom sine skritt her .

Det er interessant arbeid som viser hvordan fremskritt i insektlignende roboter avhenger avgjørende av tekniske fremskritt.

Faktisk er det desperat behov for flere fremskritt. Bee+ kan være inspirert av insekter, men med 95 milligram er det en gigant sammenlignet med de virkelige skapningene. En humle, for eksempel, veier omtrent 10 milligramS og er selvdrevet for å starte opp.

Så ingeniører må redusere størrelsen og vekten på maskinene sine med minst en størrelsesorden, og det er før de vurderer problemet med strømlagring, som er enda mer vanskelig. Av den grunn kan det ta litt tid før vi ser roboter med virkelig insektlignende egenskaper.

Ref: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : En 95-mg firevinget flyvende robot i insektskala drevet av Twinned Unimorph Actuators

gjemme seg