Легкие и летающие роботы размером с маленькое насекомое могут найти весьма ценное применение в реальном мире, например, для поддержки поисково-спасательных миссий, инспекций опасных объектов и даже исследования космоса.

Несмотря на их потенциал, реализация этих роботов до сих пор оказалась сложной, особенно из-за технических проблем, возникающих при попытке стабилизировать их полет и искусственно воспроизвести врожденные способности насекомых парить.

Исследователи из Вашингтонского университета недавно разработали систему управления полетом и датчиком ветра, которая может помочь решить эту сложную проблему робототехники и, наконец, обеспечить стабильный полет роботов, даже таких маленьких, как комар. Эта система, представленная в Science Robotics , основана на использовании акселерометров, датчиков, которые могут измерять ускорение любого движущегося устройства, объекта или тела.

«В течение почти 40 лет робототехники и специалисты по микротехнологиям мечтали о создании роботов размером с комара весом всего несколько миллиграммов — впервые это предложила Анита Флинн из Беркли», — сказал Сойер Фуллер, один из исследователей, проводивших исследование. рассказал TechXplore.

«Позже она и Родни Брукс написали развлекательную статью « Быстро, дешево и неуправляемо: вторжение роботов в Солнечную систему », в которой предлагалось отправить крошечных роботов для исследования Солнечной системы, также известной как «умная пыль». Такие роботы будут намного меньше, чем 100-граммовый робот размером со шмеля под названием UW Robofly, которого до сих пор создали студенты в моей лаборатории».

В последние годы многие робототехники во всем мире пытались создать приводные системы для роботов размером с насекомое и весом 10 мг или меньше, и многим это удалось, в том числе исследователям из Университета Беркли и Армейским исследовательским лабораториям. Однако надежная стабилизация и управление полетом этих невероятно маленьких роботов до сих пор оказывались проблематичными.

«Как правило, маленькие роботы и дроны с машущими крыльями нестабильны без обратной связи», — пояснил Фуллер. «Если вы включаете крылья или винты, они быстро падают с неба. Считается, что мухи компенсируют это, используя гироскопические жужжальца в качестве обратной связи. Поэтому очевидным решением было бы добавить гироскоп в конструкцию робота».

Хотя интеграция гироскопов теоретически может помочь решить технические проблемы, связанные с полетом небольших летающих роботов, существующие сегодня гироскопы далеко не такие легкие и эффективные, какими они должны были бы быть для полетов на таких легких устройствах. Самый легкий гироскоп, разработанный на сегодняшний день, весит 15 мг, что на 5 мг больше, чем вес целого робота размером с комара.

«Предложенное нами решение этой проблемы возникло из моей докторской диссертации, где я обнаружил, что мухи используют ощущение ветра от своих антенн в форме перьев для управления своим полетом», — сказал Фуллер. «В этой статье мы показали, что вы можете делать то же, что и мухи, измерять воздушную скорость, используя датчик другого типа, акселерометр. Большим преимуществом является то, что акселерометры по своей природе намного меньше и эффективнее, чем гироскопы. полке в упаковке весом всего 2 мг».

Помимо того, что они намного легче гироскопов, при наличии хороших моделей динамики роботов акселерометры также могут помочь оценить угол наклона роботов в полете. В свою конструкцию Фуллер и его коллеги также включили такой же легкий оптический датчик потока и крошечный микропроцессор, чтобы также оценивать высоту робота и силу ветра.

«Когда мы сравнили смоделированную реакцию нашей системы на порыв ветра с тем, как плодовые мушки реагируют на тот же порыв ветра, мы обнаружили, что обе системы ведут себя совершенно одинаково», — сказал Фуллер. «Итак, теперь у нас есть интересная гипотеза об управлении полетом насекомых. А именно, что летающие насекомые, у которых нет гироскопов, такие как пчелы и мотыльки, могут стабилизировать свою нестабильную динамику полета, чувствуя ветер своими антеннами».

Фуллер и его коллеги протестировали свою систему как в моделировании, так и в реальных экспериментах с использованием 30-граммового робота и обнаружили, что он может успешно стабилизировать свой полет, что позволяет ему воспроизвести динамику полета плодовых мушек . В будущем они надеются, что он будет применен и испытан на многих других летающих роботах, в том числе на более легких роботах весом 10 мг и меньше.

«Нам удалось создать стабилизирующую систему управления полетом на основе готовых деталей, которая достаточно мала для робота размером с комара », — добавил Фуллер. «Наша система также может быть адаптирована для более крупных роботов, таких как 100-мг UW Robofly, что позволит выделить больше полезной нагрузки для большей батареи или других датчиков. В наших следующих исследованиях мы планируем продемонстрировать ее полет на UW Robofly».