За последнее десятилетие исследователи по всему миру находили новые и интересные варианты использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Обычно называемые «дронами», БПЛА доказали свою эффективность во многих областях, включая фотографию, сельское хозяйство, геодезию, борьбу со стихийными бедствиями и даже транспортировку грузов.
Неудивительно, что исследователи теперь пытаются расширить функциональность дронов, вводя в их конструкцию новые детали, ярким примером которых является способность захватывать небольшие предметы.
Однако внедрение захватного механизма в квадрокоптеры, особенно недорогие, является достаточно сложной задачей. В общем, любой дополнительный вес, добавленный к квадрокоптеру, может поставить под угрозу его способность взлетать и стабильно летать. Это побудило ученых искать нестандартные материалы и конструкции, позволяющие обойти эти проблемы.
В недавнем исследовании исследовательская группа из Технологического института Сибаура (SIT), Япония, разработала инновационный механизм захвата для квадрокоптеров с использованием бумаги . Их работу, опубликованную в журнале IEEE Robotics and Automation Letters , возглавлял доцент Хироки Сигэмунэ из Инженерной школы, в ней участвовали магистрант Шута Окамото и профессор Чинтака Премачандра.
Предлагаемый механизм захвата умело использует оригами, древнее японское искусство складывания бумаги для создания трехмерных фигур. Когда бумага правильно сложена и уложена стопкой, полученные структуры могут оказаться на удивление упругими и прочными, а технология оригами успешно продемонстрирована для различных применений.
Однако в большинстве зарегистрированных случаев захватам для оригами по-прежнему требовались дополнительные механизмы управления, чтобы перейти из состояния покоя в конфигурацию захвата. Более того, их изготовление может быть довольно сложным, иногда требующим дополнительных материалов, помимо бумаги, чтобы сделать устройства более гибкими, таких как пластик и смола.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи из SIT разработали самоскладывающийся захват для оригами (SOG), который может складываться в окончательную желаемую структуру. Их конструкция недорогая и основана на технологии изготовления, которую доктор Сигэмунэ и его коллеги разрабатывают уже около десяти лет.
Используя резательный станок и обычный струйный принтер, нужно просто предварительно разрезать и нанести влажные чернила на лист бумаги по заранее заданному рисунку. Физико-химических реакций между стратегически расположенными чернилами и бумагой достаточно, чтобы получить самоскладывающуюся деталь оригами.
Используя этот подход, исследователи разработали свою SOG как бистабильную структуру. Проще говоря, деталь оригами имеет две стабильные формы и сохраняет заданную форму до тех пор, пока не будет приложено достаточное усилие, чтобы деталь переключилась, подобно браслету с застежкой.
Команда разработала структуру «водяной бомбы», которая меняется «от горы к долине», когда сила прикладывается непосредственно к ее центру. Идея состоит в том, чтобы подойти к объекту, схватить его снизу и «ткнуть» его вершиной горы, которая прорвется и превратится в долину. Благодаря введению цилиндрических «пальцев» по краям водяной бомбы это изменение конформации заставляет SOG захватывать и удерживать целевой объект, когда он «закрывается».
Несмотря на то, что он сделан исключительно из бумаги, силу этого дизайна не следует недооценивать. «Сам SOG весит всего 5 граммов, однако в наших экспериментах по захвату он продемонстрировал силу захвата, эквивалентную удерживанию 130-граммового объекта», — отмечает г-н Окамото.
Этот впечатляющий результат стал результатом тщательного теоретического анализа структуры SOG, а также обширных экспериментов. Наконец, исследователи успешно протестировали предложенный SOG на реальном квадрокоптере, которому было поручено схватить сферический объект с деревянной ветки, и получили положительные результаты.
Профессор Премачандра подчеркивает еще одну новизну своего творения: «Разработанный SOG полностью изготовлен из бумаги, биоразлагаемого материала. Когда он падает на землю в результате аварии или разрушения, он просто возвращается в почву и не причиняет вреда жизням, в том числе людей и окружающую среду каким-либо образом».
Эта деталь особенно важна, учитывая, что квадрокоптеры с возможностью захвата, вероятно, будут использоваться в сельском хозяйстве, например, во время уборочных работ и для отбора проб во время геодезических изысканий.
В целом, предлагаемый механизм захвата может найти применение во многих современных технологических приложениях, связанных с БПЛА. «Мы надеемся, что SOG, предложенный в нашей статье, станет основой для будущих умных устройств оригами, которые сделают квадрокоптеры многофункциональными», — заключает доктор Сигемунэ.
