Інженери надихнулися жуками-носорогами та розробили крилатий дрон, який захищатиме себе від руйнування, махаючи крилами. У лабораторії вчені дослідили польоти комах та з’ясували, як їм вдається навіть після зіткнення не змінювати свою траєкторію польоту і перенесли цей механізм на крила мініатюрного повітряного робота. Нова конструкція дала дрону змогу втримати напрям польоту та врятувати свої складові, повідомляють інженери у статті, опублікованій у журналі Science.
H. Vu Phan
Чим інженерів зацікавили жуки-носороги?
Дослідники помітили, що хоч жуки і рідко махають крилами під час польоту, на відміну від птахів, їм все одно вдається зберігати політ навіть після зіткнення з перешкодою. У своїй роботі вони вирішили з’ясувати, що допомагає комахам зберігати траєкторію і запустили 127 жуків-носорогів у лабораторії під високошвидкісними камерами. Крила жука вчені описали як конструкцію типу оригамі, яка дає змогу частково складатися під час зіткнень - як свого роду амортизатор. Вчених зацікавила конструкція крил, оскільки жук спочатку відкриває надкрила, вони висунули гіпотезу, що розкриттю допомагають саме сили махання, а не активний контроль грудних м'язів. Щоб підтвердити це, дослідники відрізали заднє крило жука біля основи та прикріпили його до змахуючого механізму з частотою 38 герц.
Політ робота зі складними крилами / Science, 2020
Як крила захищають жуків?
У своєму експерименті інженери змусили комах пролітати повз вертикальні трубки і їм вдалося зафіксувати три різні типи їхньої поведінки при зіткненні: продовження польоту, перекид та приземлення. Щоб дослідити роль механізму складання крил в польоті жука, вчені проаналізували траєкторії польоту, кути положення тіла та вивчали зіткнення з перешкодами, за яких комахи складали крила. Цікаво, що у випадках, коли перешкоди порушували махання крил, траєкторія польоту істотно змінювалася, а жук втрачав висоту і часто перекидався. Але під час зіткнень, де жук міг скласти крило, траєкторії польоту і кінематика тіла були менш порушені. Таким чином, вчені з’ясували, що механізм складання істотно знижує силу удару при зіткненні, до двох третин крутного моменту, та зводить до мінімуму зміну напрямку польоту.
Навіщо такі крила дронам?
Такий механізм є досить привабливим для невеликих літаючих роботів, зокрема, в біоінспірованих, що махають крилами. Такі роботи є популярними для використання в обмеженому просторі і в небезпечних середовищах, бо вони можуть досягати аномально високої підйомної сили, швидко махаючи крилами, а тому повільно переміщатися відносно поверхонь. Їх, наприклад, пропонують використовувати для дослідження Марсу, де потрібно працювати у розрідженій атмосфері й при цьому повільно літати, щоб брати проби. Однак, захистити таких роботів вкрай важко, адже існуючі захисні системи важкі та громіздкі й не зможуть підтримувати відновлення роботом польоту. Ми писали про систему захисту для дронів з рамою, що може розширюватись, як подушка безпеки, однак вона може не підійти для конструкцій, де політ забезпечують махи крил.
Для свого робота інженери розробили еластичні складки з нікель-титанового сплаву товщиною 0,2 міліметра та армовані “жили”, які забезпечать два режими складання крил: поздовжній і поперечний, як і в жука. Цей механізм дає змогу крилам складатися і перетинати перешкоду та швидко повертатися до витягнутої форми за один помах. Їхній робот зміг генерувати достатню вертикальну силу для вільного зльоту і зависання, а під час зіткнення з вертикальними стійками він зберігав стабільний політ після зіткнення з крилом. Під час експерименту, робот без цього механізму перекидався після зіткнення, а з ним зміг навіть пролетіти через вузьку щілину, яка менше його розмаху крил.