Robotická hračka netopier. Bionický netopier dobýva vzduch: Video. Vlastnosti dizajnu robotického netopiera

Robotická a kybernetická skupina z Polytechnickej univerzity v Madride (Španielsko) predstavila nový mikro-UAV. Dron využíva inovatívny systém umelých svalov vyrobených z materiálov, ktoré sa môžu sťahovať a sťahovať ako svaly netopierov.

Umelá myš zatiaľ lieta len po priamke a výkyvy krídel nepresahujú 4 mm. (Tu a nižšie je fotografia Polytechnickej univerzity v Madride.)
Hovoríme o drone BaTboT, „Robot Bat“. Uvádza sa, že miniatúrne zariadenie, ktorého tvar krídel možno meniť priamo počas letu, je schopné veľmi efektívne manévrovať pri nízkych rýchlostiach, čo mu umožní lietať v obmedzenom priestore alebo medzi početnými prekážkami.

Krídla netopierov (jediných cicavcov schopných letu) sú tvorené viac ako dvoma desiatkami nezávislých kĺbov a jednou tenkou, pružnou membránou natiahnutou cez kostnatý systém krídel. Úžasná obratnosť zvierat je výsledkom kombinácie mávania krídel a súčasných kontrakcií a naťahovania tých istých krídel počas letu. Krídlo s takouto variabilnou geometriou zdokonalila evolúcia v priebehu miliónov rokov a pokus o jeho reprodukciu v krátkom čase sa stal pre vedcov skutočnou výzvou. Prijali to a výsledkom bol BaTboT.

Rozpätie krídel tohto mikro-UAV je 50 cm, čo sa vysvetľuje túžbou „zodpovedať prototypu prírody“. A prototypom bola lietajúca líška (Pteropus poliocephalus), jeden z najväčších netopierov na svete. Hmotnosť mikro-UAV bola minimalizovaná, aby sa dosiahol maximálny čas letu na vstavanú lítium-polymérovú batériu.

Na reprodukciu práce svalového systému zvieraťa sa vedci museli obrátiť na pomerne náročnú úlohu - namiesto konvenčných motorov bolo potrebné simulovať činnosť svalov živých bytostí. "Svaly" BaTboT sú tvorené drobnými vláknami "utkanými" zo zliatin s tvarovou pamäťou; pracujú vo vzore bicepsov a tricepsov, ktoré sťahujú kĺby netopierov. Každý zo „svalov“ BaTboT váži menej ako 1 g a celková hmotnosť mikro-UAV, ktorý vývojári radšej nazývajú lietajúci robot, je 125 g (vrátane batérií, palubnej elektroniky a pohonu). „Kostra“ utiahne 34 g. Celkový ťah krídla letca je 12,2 g/cm, čas mávania je 300 ms, kmitanie krídla pri mávaní je približne 4 mm. Prúd, ktorý poháňa „svaly“ má silu 285 mA a napätie 3-5 V.

Mikro-UAV rám. Cez ňu je natiahnutá silikónová opláštená tkanina s hrúbkou 0,1 mm.
Údaje o biologických detailoch letu netopierov získali španielski vedci od kolegov z Brown University v Providence (USA). V blízkej budúcnosti autori zamýšľajú okrem jednoduchého letu v priamom smere prejsť k letom s intenzívnym manévrovaním, ktoré zdokonalia riadiace, navigačné a senzorové systémy. Cieľom tejto úpravy je dosiahnuť schopnosť autonómnych akcií, počas ktorých bude mikrodron schopný zbierať informácie. Ako možné aplikácie vedci uvádzajú biologický výskum skúmania netopierov v ich prirodzenom prostredí, ako aj kontrolu škodcov.

Niet pochýb o tom, že schopnosť zbierať informácie a vysoko manévrovateľný let v uzavretých priestoroch nebude pre armádu zaujímať. Pripomeňme, že ešte počas 2. svetovej vojny americké letectvo pracovalo na projekte bombardovania japonských miest netopiermi zhodenými v samovysúvacích kontajneroch a každá myš mala vrecúško so 17-gramovou zápalnou bombou. Testovacie lety boli také úspešné, že samotná testovacia základňa v dôsledku toho takmer vyhorela ...

K definitívnemu zverejneniu prvej etapy projektu by malo dôjsť v tomto roku.

Nedávno sme hovorili o takom zázraku techniky, akým je dron prispôsobený na odmrazovanie vrtúľ veterných mlynov, ktoré vyrábajú elektrinu. Stroj s 36 vrtuľami schopný zdvihnúť až 200 kg nákladu a vykonávať zložité práce s ľahkosťou akrobata vo veľkej výške.

Tu je postup:

Toto lietadlo má ale jednu vážnu chybu, vypnite elektrinu a spadne ako kameň. Čo treba urobiť, aby sa to nestalo? Na túto otázku odpovedajú vedci, programátori a inžinieri, ktorí postavili umelý, ktorý presne opakuje obrysy a motorické schopnosti skutočného netopiera.

Kto, ak nie príroda, vie, ako sa najlepšie prispôsobiť prostrediu? Milióny rokov evolúcie neboli márne. Vezmime si napríklad toho istého netopiera. Tento netopierí tvor je veľa pred spoločnosťou Tesla začala používať radar na detekciu prekážok, v tme vidí vynikajúco, stokrát lepšie ako najmodernejšie moderné autá, dokázal to nedávny tragický prípad auta Volvo vybaveného Uberom. Auto zrazilo človeka, ale netopier nie.

Tieto zaujímavé stvorenia dokážu lietať aj v stiesnených priestoroch, rýchlo manévrovať a spať hore nohami.

A prečo sa ľudia nesnažia kopírovať to, čo už urobila príroda? Všetko je už pripravené.

Z technického hľadiska nie je pre moderné inžinierstvo pri výrobe bionického lietadla nič zvlášť náročné. Oficiálne pomenovaný robot „Bionic Flying Fox“ bol postavený na ľahkom, takmer beztiažovom ráme, rámy sú zabalené v unikátnej krídlovej membráne so 40 000 upevňovacími bodmi, vďaka ktorým je umelá „koža“ ľahká a zároveň pevná. Batérie, prevodovka a elektronické „mozgy“ sú vložené do plastového tela, ktoré má obdobu strojového učenia a je schopné vydávať príkazy pre poloautonómny let.

Je nepravdepodobné, že by tento konkrétny robot niekedy uzrel svetlo sveta z hľadiska komerčné použitie ale je to zapnuté tento moment. Len s niekoľkými jednoduché materiály môžete postaviť komplexné lietadlo, ktoré úspešne napodobňuje ladné pohyby živého tvora.

Vývoj bioinšpirovaných zariadení (robotické mravce, motýle, vtáky) je teraz veľké spoločnosti, medzi nimi je aj nemecká spoločnosť Festo, ktorej hlavnou oblasťou pôsobnosti je priemyselná automatizácia.

najnovší úspech Nemeckými inžiniermi sa v tomto smere stal riadený robot BionicFlyingFox. Na rozdiel od iných modelov opakuje stavbu tela kaloňa, najväčšieho poddruhu netopierov. Zariadenie patrí podľa vývojárov do kategórie „ultraľahkých lietajúcich zariadení s inteligentnou kinematikou“, čo mu dáva dovtedy nedosiahnuteľné schopnosti.

Aké sú vlastnosti lietajúceho robota?

Zástupcovia spoločnosti poodhrnuli rúšku tajomstva zverejnením hlavných parametrov novinky:

• rozpätie krídel - 228 cm;
• dĺžka - 87 cm;
• hmotnosť - 580 gramov.

Aby bol netopier taký ľahký, membrána krídla je vyrobená z tenkej tkaniny, ktorá je z oboch strán pokrytá dvoma vrstvami vzduchotesnej fólie.

Vlastnosti dizajnu robotického netopiera

Okrem materiálu membrány stojí za to venovať pozornosť samotnému krídlu: pozostáva z dvoch vzájomne prepojených rovín. Každé lietadlo má svoje vlastné motory a riadiaci obvod. Hnacou silou je hlavný jednosmerný motor. Napájanie hlavného motora a pomocných motorov je realizované pomocou vstavaného zdroja energie, čo dáva jednotke úplnú autonómiu.

Riadenie je realizované pomocou pozemnej riadiacej stanice, ktorá je prostredníctvom zabudovaných kamier schopná sledovať činnosť jednotky vo vzduchu. Aby sa proces prevádzky zjednodušil, vývojári implementovali systém umelej inteligencie a samoučenia. Táto funkcia vám umožňuje zlepšiť techniku ​​vykonávania leteckých manévrov. V budúcnosti bude táto technika dovedená k dokonalosti a robotické zvieratá už nebudú svojimi schopnosťami horšie ako živé prototypy.

Schopnosť netopierov lietať v takmer úplnej tme a vykonávať tie najzložitejšie manévre prekvapuje a máta vedcov už stovky rokov. Len relatívne nedávno odborníci zistili, vďaka čomu sa netopier dokáže pohybovať vo vesmíre bez pomoci orgánov zraku. Napriek tomu špecialisti obdivujú nielen navigačné schopnosti týchto zvierat, ale aj ich letové schopnosti.

Myš letí ticho, rýchlo a dokáže takmer okamžite zmeniť smer. Ak by niečo také dokázal vytvoriť človek, veda a technika by dali veľa. Inžinieri a vedci už dlho študujú mechaniku letu týchto zvierat a snažia sa obnoviť mechanizmus letu myší. Niektorým sa to podarí.

Na druhý deň vedci z Caltechu predstavili svojho robota Bat Bot (B2) vybaveného mäkkými zloženými krídlami s membránami medzi kostrou. Partnermi Caltechu v projekte bol tím špecialistov z University of Illinois v Urbana-Champaign (UIUC, University of Illinois v Urbana-Champaign). „Dizajn tohto robota nám pomôže postaviť efektívnejšie a bezpečnejšie drony a tiež nám pomohol zistiť, ako netopiere lietajú,“ povedal Soon-Jo Chung, jeden z účastníkov projektu.

Chung, ktorý sa pripojil k tímu Caltech, vyvinul robotického netopiera spolu so svojím bývalým vedeckým vedúcim Alirezom Ramezanim a Sethom Hutchinsonom, profesorom na University of Illinois v Urbana-Champaign.

Hmotnosť robota je iba 93 gramov. Navonok pripomína netopiera, podľa ktorého obrazu a podoby bol navrhnutý. Rozpätie krídel je len 30 centimetrov. Systém počas letu dokáže meniť tvar krídel zložením alebo rozložením „prstov“, pričom zmení tvar a polohu zápästí, nôh a ramien. Odborníci sa domnievajú, že netopier je jedným z najviac (ak nie najkomplexnejšie) organizovaných zvierat, ktoré dokážu lietať. Krídla netopierov môžu meniť tvar a letový mechanizmus zahŕňa použitie niekoľkých typov kĺbov, ktoré môžu fixovať kosti a svaly alebo naopak zvýšiť mieru voľnosti kostí, ktoré tvoria krídlo.

Princíp letu netopierov sa výrazne líši od princípu letu vtákov.Hlavným znakom je pružnosť a poddajnosť krídel netopierov. Silné ohýbanie krídla počas jeho zdvihu nadol poskytuje oveľa väčší zdvih a znižuje náklady na energiu v porovnaní s vtákmi. Počas letu sa pri pohybe krídla nadol na jeho nábežnej hrane vytvorí vzdušný vír, ktorý podľa vedcov zabezpečuje až 40 % vztlaku krídla. Prúd vzduchu začína na nábežnej hrane krídla, potom ho obchádza a pri spätnom pohybe krídla nahor sa opäť vracia. Toto všetko umožňuje flexibilita krídla, pretože jeho zakrivenie umožňuje, aby sa vír udržal blízko povrchu krídla.

Aby robot mohol lietať, vývojári vytvorili komplexný hardvérový a softvérový systém. Údaje o životnom prostredí zhromaždené dronom počas letu sa spracúvajú v reálnom čase. Riadiaci softvér prijíma tieto údaje a koordinuje činnosť dronu. To všetko funguje offline, bez účasti operátora.

Muskuloskeletálny systém krídel netopiera dokáže vykonať viac ako 40 pohybov v rôznych smeroch. „Výsledkom našej práce je doteraz jedno z najpokročilejších krídel robota v tvare netopiera a tento robot môže lietať autonómne,“ povedal Ramezani. Samozrejme, tento robot má ešte poriadne ďaleko od skutočného netopiera, ktorý dokáže predbehnúť hmyz priamo vo vzduchu, obletieť ho, chytiť ho a zjesť. Takáto manévrovateľnosť je vecou budúcnosti, aj keď celkom blízko.

Krídla robota môžu skutočne meniť tvar, rovnako ako to robia majitelia „prototypov“. Je dosť ťažké vyrobiť krídlo tohto typu, preto je potrebné dokonale porozumieť anatomickým vlastnostiam štruktúry muskuloskeletálneho systému netopierov. Ako alternatívny materiál k pokožke inžinieri vytvorili fóliu s hrúbkou iba 56 mikrónov, ktorej základom je silikón. Tento materiál sa môže natiahnuť a zmrštiť, takmer rovnako ako koža, ktorá obopína netopierie krídla.

Lietajúci robotické netopiere by mohli byť oveľa energeticky efektívnejšie ako bežné roboty, tvrdia vývojári lietadlá. Roboty tohto typu môžu byť použité ako alternatíva k dronom. Navyše na rozdiel od väčšiny dronov budú umelé netopiere schopné rýchlo zmeniť smer letu. Navyše nebudú pre človeka také nebezpečné (z hľadiska možnosti zranenia) ako rovnaké helikoptéry.

Jednou z najťažších úloh, ktorým čelia vývojári autonómnych robotov, je rýchle zmapovanie neznámeho terénu pri prvom prejazde ním. Takúto úlohu ale ľahko zvládnu napríklad netopiere, pomocou echolokácie alebo orientácie v priestore pomocou zvukov.

Echolokácia v prírode je jednou z najpôsobivejších, založená na odraze zvukových vĺn a ich vnímaní živými organizmami. Používajú ho piskory, mory, lopatky, niektoré plutvonožce a dokonca aj vtáky. Vďaka týmto schopnostiam sa zvieratá ľahko orientujú tam, kde je málo alebo žiadne slnečné svetlo.

Teraz, vďaka úsiliu tímu izraelských inžinierov z Tel Avivskej univerzity, vedeného Itamarom Eliakimom (Itamar Eliakim), pomáha echolokácia dobyť neznáme priestory a nového autonómneho robota. Vychádzali z princípu, ktorý netopiere využívajú pri navigácii. Názov zariadenia bol vhodný - Robat.

Netopiere vysielajú ultrazvukový signál, ktorý je pre ľudské ucho nepočuteľný a zachytávajú ozveny odrazené od prekážok. Zároveň vždy presne vedia, kde je vetva, kde je hmyz a kde je prázdna stena. Predchádzajúce pokusy o využitie echolokácie v robotike sa obmedzili na inštaláciu sonarov – technických zariadení, ktoré pomáhajú odhaliť rôzne predmety pod vodou. Navigačné vybavenie Robat sa líši od predchádzajúcich technologické riešenia a napodobňuje biologické vlastnosti netopierov.

Nový robot je vybavený ultrazvukovým reproduktorom, ktorý vysiela signály v tom istom frekvenčný rozsah, ako aj netopiere (približne 20 až 120 kHz). Okrem toho má zariadenie dva ultrazvukové mikrofóny, ktoré napodobňujú uši zvierat. Robot sa pohybuje v neznámom prostredí, pričom na to využíva iba odrazený zvukový signál.

Určuje hranice objektov, s ktorými sa stretnete na ceste, a klasifikuje ich pomocou . Vďaka tomu sa v „mozgu“ stroja vytvorí podrobná mapa životné prostredie. Robot napríklad pri jednom z testov úspešne určil, či mu v ceste nestojí nepreniknuteľná stena alebo rastlina, cez ktorú môže prejsť.

Podrobný popis sľubného vynálezu zverejnili autori v publikácii PLOS Computational Biology.

Mimochodom, Robat nie je prvé zariadenie inšpirované schopnosťami netopierov. Autori projektu Vesti.Nauka (nauka.site) už písali a prezentovali ho iné tímy. Je pravda, že tieto zariadenia sa nemohli pochváliť echolokáciou.