Door insecten geïnspireerde vliegende robots: onderzoekers introduceren een nieuwe generatie kleine, flexibele drones

Door insecten geïnspireerde vliegende robots: onderzoekers introduceren een nieuwe generatie kleine, flexibele drones

De technologie zou het repertoire van luchtrobots kunnen versterken, waardoor ze in krappe ruimtes kunnen opereren en botsingen kunnen weerstaan.

Als je ooit een mug van je gezicht hebt weggevaagd, alleen om hem weer (en keer op keer) terug te laten komen, weet je dat insecten opmerkelijk acrobatisch en veerkrachtig kunnen zijn tijdens de vlucht. Die eigenschappen helpen hen door de luchtwereld te navigeren, met al zijn windstoten, obstakels en algemene onzekerheid. Dergelijke eigenschappen zijn ook moeilijk in te bouwen in vliegende robots, maar MIT-assistent-professor Kevin Yufeng Chen heeft een systeem gebouwd dat de behendigheid van insecten benadert.

Chen, een lid van de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen en het Onderzoekslaboratorium voor Elektronica, heeft drones ter grootte van een insect ontwikkeld met een ongekende behendigheid en veerkracht. De luchtrobots worden aangedreven door een nieuwe klasse van zachte actuatoren, waardoor ze bestand zijn tegen de fysieke beproevingen van een echte vlucht. Chen hoopt dat de robots ooit mensen kunnen helpen door gewassen te bestuiven of machine-inspecties uit te voeren in krappe ruimtes.

Chen’s werk verschijnt deze maand in het tijdschrift IEEE Transactions on Robotics. Zijn co-auteurs zijn onder meer MIT-promovendus Zhijian Ren, PhD-student Siyi Xu van de Harvard University en de roboticus Pakpong Chirarattananon van de City University of Hong Kong.

Doorgaans hebben drones grote open ruimtes nodig omdat ze niet lenig genoeg zijn om door kleine ruimtes te navigeren en ook niet robuust genoeg zijn om botsingen in een menigte te weerstaan. “Als we tegenwoordig naar de meeste drones kijken, zijn ze meestal vrij groot”, zegt Chen. “De meeste van hun toepassingen zijn buiten vliegen. De vraag is: kun je robots op insectenschaal maken die zich in zeer complexe, rommelige ruimtes kunnen verplaatsen? “

Volgens Chen: “De uitdaging van het bouwen van kleine luchtrobots is enorm.” Kleine drones vereisen een fundamenteel andere constructie dan grotere. Grote drones worden meestal aangedreven door motoren, maar motoren verliezen hun efficiëntie als je ze verkleint. Dus, zegt Chen, voor insectenachtige robots “moet je naar alternatieven zoeken”.

Het belangrijkste alternatief tot nu toe is het gebruik van een kleine, stijve actuator die is gemaakt van piëzo-elektrische keramische materialen. Hoewel piëzo-elektrisch keramiek de eerste generatie kleine robots liet vliegen, zijn ze behoorlijk kwetsbaar. En dat is een probleem als je een robot bouwt om een ​​insect na te bootsen – foeragerende hommels krijgen ongeveer één keer per seconde een botsing te verduren.

Chen ontwierp een veerkrachtiger kleine drone met zachte actuatoren in plaats van harde, kwetsbare. De zachte actuatoren zijn gemaakt van dunne rubberen cilinders die zijn gecoat met koolstofnanobuisjes. Wanneer er spanning op de koolstofnanobuisjes wordt gezet, produceren ze een elektrostatische kracht die de rubberen cilinder samenknijpt en verlengt. Herhaaldelijk uitrekken en samentrekken zorgt ervoor dat de vleugels van de drone snel slaan.

De actuatoren van Chen kunnen bijna 500 keer per seconde klappen, waardoor de drone een insectachtige veerkracht krijgt. “Je kunt hem raken als hij vliegt, en hij kan herstellen”, zegt Chen. “Het kan ook agressieve manoeuvres uitvoeren, zoals salto’s in de lucht.” En het weegt slechts 0,6 gram, ongeveer de massa van een grote hommel. De drone lijkt een beetje op een klein cassettebandje met vleugels, al werkt Chen aan een nieuw prototype in de vorm van een libel.

“Een vlucht maken met een robot op centimeter-schaal is altijd een indrukwekkende prestatie”, zegt Farrell Helbling, een assistent-professor elektrotechniek en computertechnologie aan de Cornell University, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Vanwege de inherente compliantie van de zachte actuatoren, kan de robot veilig tegen obstakels aanlopen zonder de vlucht aanzienlijk te belemmeren. Deze functie is zeer geschikt voor vluchten in rommelige, dynamische omgevingen en kan erg handig zijn voor een groot aantal toepassingen in de echte wereld. “

Helbling voegt eraan toe dat een belangrijke stap in de richting van die toepassingen het loskoppelen van de robots van een bekabelde stroombron zal zijn, wat momenteel vereist is door de hoge bedrijfsspanning van de actuatoren. “Ik ben verheugd om te zien hoe de auteurs de bedrijfsspanning zullen verlagen, zodat ze ooit in staat zullen zijn om ongebonden vluchten te maken in echte omgevingen.”

Het bouwen van insectachtige robots kan een kijkje bieden in de biologie en fysica van insectenvluchten, een al lang bestaand onderzoeksgebied voor onderzoekers. Chen’s werk beantwoordt deze vragen door middel van een soort reverse engineering. “Als je wilt leren hoe insecten vliegen, is het erg leerzaam om een ​​robotmodel op schaal te bouwen”, zegt hij. “Je kunt een paar dingen verstoren en zien hoe het de kinematica beïnvloedt of hoe de vloeistofkrachten veranderen. Dat zal je helpen te begrijpen hoe die dingen vliegen. ” Maar Chen wil meer doen dan alleen maar iets toevoegen aan leerboeken over entomologie. Zijn drones kunnen ook nuttig zijn in de industrie en landbouw.

Chen zegt dat zijn mini-antennes door complexe machines kunnen navigeren om de veiligheid en functionaliteit te garanderen. “Denk aan de keuring van een turbinemotor. Je zou willen dat een drone zich [een afgesloten ruimte] verplaatst met een kleine camera om te controleren op scheuren in de turbineplaten. “

Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer kunstmatige bestuiving van gewassen of het voltooien van zoek- en reddingsmissies na een ramp. “Al die dingen kunnen een grote uitdaging zijn voor bestaande grootschalige robots”, zegt Chen. Soms is groter niet beter.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *