Популяции опылителей, таких как пчелы и бабочки, сокращаются по всему миру. Это вызывает тревогу, поскольку эти опылители не только играют решающую роль в поддержании экосистем, но и важны для глобального производства продуктов питания. Роботы, оснащенные современными датчиками, искусственным интеллектом и тонкими механизмами, могут восполнить этот пробел.

Теперь исследователи Массачусетского технологического института разработали небольших роботов, которые могут летать в 100 раз больше, чем их предшественники, несмотря на то, что они весят меньше скрепки.

Имитирование насекомых

«Воздушные насекомые исключительно подвижны и точны», — пишут авторы нового исследования. «Они совершают впечатляющие акробатические маневры, уклоняясь от хищников, восстанавливаясь после порыва ветра или приземляясь на движущиеся объекты. Движение с машущим крылом выгодно для маневренности полета, поскольку оно может генерировать большие изменения мгновенных сил и крутящих моментов».

Однако воспроизвести эту способность у роботов оказалось очень непросто. Когда насекомые машут крыльями, их сухожилия и крылья подвергаются сильному напряжению и деформации. Чтобы выдержать это, они должны быть чрезвычайно гибкими и устойчивыми к усталости. Инженерные материалы на самом деле не обладают этими свойствами. Или, по крайней мере, не сделал этого — до сих пор.

Предыдущие версии роботов-насекомых обычно имели четыре одинаковых отряда, каждый с двумя крыльями. Это имело смысл с инженерной точки зрения, но не соответствует биологии насекомых: не существует насекомых с восемью крыльями. Новый дизайн фактически разрезает структуру пополам, имитируя биологическую структуру насекомых. Теперь у него четыре крыла с более сложными трансмиссиями, связывающими крылья с приводами (роботизированными «мышцами», обеспечивающими полет).

Уменьшив количество крыльев и оптимизировав их расположение, исследователи устранили помехи воздушному потоку. Это позволяет улучшить подъемную силу, освобождая место для потенциальных будущих дополнений, таких как батареи или датчики. Этот подход также позволяет роботам оставаться в воздухе больше времени.

«Объем полета, который мы продемонстрировали в этой статье, вероятно, больше, чем весь объем полета, который наша область смогла накопить с помощью этих роботов-насекомых. Благодаря увеличенному сроку службы и точности этого робота мы приближаемся к некоторым очень интересным приложениям, таким как вспомогательное опыление», — говорит Кевин Чен, старший автор статьи в открытом доступе о новом дизайне для MIT News.

«По сравнению со старым роботом, мы теперь можем генерировать управляющий момент в три раза больший, чем раньше, поэтому мы можем выполнять очень сложные и очень точные полеты с поиском пути», — добавляет Чен.

Летающий робот-опылитель

Движение робота осуществляется мягкими приводами. Привод — это устройство, которое преобразует энергию (электрическую, гидравлическую или пневматическую) в механическое движение для выполнения определенной задачи. Приводы роботов сделаны из слоев эластичных материалов, зажатых между двумя тонкими электродами из углеродных нанотрубок, скрученных в мягкий цилиндр. Приводы сжимаются и удлиняются, производя механическую энергию, приводящую в движение крылья.

Благодаря такому подходу роботы-насекомые могут парить и сохранять устойчивость более 1000 секунд (17 минут).

«Когда мой ученик Немо выполнял этот полет, он сказал, что это были самые медленные 1000 секунд, которые он провел за всю свою жизнь. Эксперимент был чрезвычайно нервным», — говорит Чен.

Потенциальные применения обширны и интересны. В сельском хозяйстве эти роботы могут помочь в опылении цветов, точно перемещая цветы. Кроме того, включение бортового питания и датчиков может позволить осуществлять автономные миссии на открытом воздухе, от мониторинга окружающей среды до реагирования на стихийные бедствия.

Несмотря на то, что проблемы остаются, например, воспроизведение сложного мышечного контроля настоящих насекомых, исследование закладывает основу для автономных микроботов с реальной пользой. Следующие цели команды включают увеличение времени полета за пределы 10 000 секунд и обеспечение точного взаимодействия с окружающей средой, например, приземление на определенные цели, такие как цветочные центры.

Исследование было опубликовано в Научная робототехника .