Технології
Технології

Електростатичні сили дали дрону помахати крилами швидше за комах

Нова система штучних м'язів на основі рідкого діелектрика допомогла комахоподібному орнітоптеру помахати крилами не гірше за комах, якими надихалися британські інженери. Махання крилами коптеру забезпечують електростатичні сили, підсилені рідиною — з ними він може летіти зі швидкістю до 0,71 метра за секунду. Як добитися на літальних засобах розміром з комаху такого ж відношення тяги до потужності, як і у гвинтокрилів, вчені описали у Science Robotics.

SoftLab Bristol / YouTube

SoftLab Bristol / YouTube

Навіщо дронам махати крилами?

Враховуючи, що для великої кількості завдань, як-то моніторинг чи пошуково-рятувальні операції, спостереження з повітря є набагато ефективнішим, дрони як галузь робототехніки активно розвиваються та обзаводяться кращими навігаційними системами, більш енергоефективними стратегіями польотів та навіть додатковими кінцівками. Втім, окрім звичних нам комерційних дронів з гвинтами, увагу інженерів займають орнітоптери, яким польоти забезпечує обернено-поступальний рух крил. Такі дрони є набагато тихшими, легше справляються з поривами вітру та володіють більшою маневровістю.

Щоб змусити дрон замахати крилами, до них потрібно прикладати якусь змінну у часі силу. Зазвичай це електродвигуни, які перетворюють обертальний рух у коливальний, або ж іноді більш екзотичні варіанти з п'єзоелектриками. Однак враховуючи, що основним обмеженням для мікролітальних засобів є їхня загальна маса, яка напряму впливає на прискорення і маневровість, такі системи можуть займати чи не половини всього коптера.

Тому для свого крилатого коптера інженери Бристольського університету, що у Британії, обрали інший підхід. Їхній комахоподібний дрон махатиме крилами завдяки новій системі штучних м'язів, яка не потребуватиме будь-якої системи передач чи додаткових механізмів для перетворення енергії.

Що пропонують вчені?

Щоб змусити свій дрон літати, інженери звернулися до електростатики — крила рухатимуть змінні електростатичні сили тяжіння і відштовхування електричного заряду. Електростатичні приводи є найпоширенішим і добре дослідженим способом забезпечити рух у мікромасштабі, і зазвичай це конструкції з паралельними пластинами, між якими і виникають ці сили. Привідна система для створення показаного вченими коптера складається лише із простих ізольованих електродів на крилах. Однак у зв'язку з цим виникають обмеження, як наприклад, ослаблення сили з відстанню, а отже обмежений можливий діапазон руху крил.

Тому в цій роботі інженери звернулися до одного з варіантів таких приводів, що називають застібкою» (electrostatic zipping). У такій конструкції спрацьовування спочатку відбувається локально у точці з невеликим зазором, дозволяючи структурі, що залишилася, «застібатися» у міру того, як вона згодом наближається до протилежно зарядженого провідника. Використовуючи цей ефект поступового застібання, спрацьовування з більшою силою можна забезпечити і при набагато нижчих напругах та не зважати на зменшення сили за більшого діапазону руху.

Схема роботи крила. SoftLab Bristol / YouTube

Схема роботи крила. SoftLab Bristol / YouTube

Так коптер обзавівся крилами, заснованими на електростатичній «застібці», посиленій рідиною або, як систему назвали інженери, «посиленим рідиною приводом-застібкою» (liquid-amplified zipping actuator, LAZA). Так сили концентруються в одній рухомій точці застібки, тим самим забезпечуючи сильне поступове спрацьовування. У цій точці і знаходиться рідина, а саме – силіконова олія, рідкий діелектрик, який значно посилює електростатичну силу.

Як дрон помахав крилами?

Щоб зрушити свій орнітоптер з місця, інженерам потрібна крихітна крапля рідкого діелектрика для посилення електростатичної сили, яка прикладається безпосередньо до основи крила та забезпечує пікову і середню питому потужність у 200 та 124 вати на кілограм відповідно. Для порівняння, питома потужність м'язів комах оцінюється між 80 і 83 ватами на кілограм. На додачу до цієї високої питомої потужності, система забезпечує безпосередній маховий рух і вимагає додати лише крила для створення тяги, на відміну від інших приводних систем, для яких потрібна система для передавання крутного моменту.

На коптер вчені почепили крила завдовжки у 50 міліметрів, що дало чисту спрямовану тягу до 5,73 мілітоньютона при споживанні всього 243 міліватів енергії. Тобто відношення тяги до потужності склало 23,6 ньютона на кіловат — аналогічно гвинтам вертольотів і комерційним безпілотникам. Так дрон зміг рухатися зі швидкістю до 0,71 метра в секунду, а крила лишалися стабільними протягом тисяч циклів помахів — вони не змінили амплітуди навіть протягом більш як шести годин польоту при частоті помахів у 50 герців.

SoftLab Bristol / YouTube

SoftLab Bristol / YouTube

Раніше ми вже також розповідали про крилатих дронів. Наприклад, для цього інженери підглядали за жуками-носорогами, щоб дрон не збивався у польоті, стикаючись з перешкодами. А цьому збільшили кількість помахів крилами до швидкості майже 500 разів на секунду, щоб той був стійкішим та робив сальто.


Фото в анонсі: Dr. Tim Helps / Science Robotics, 2022