Американські інженери представили стрибучу конструкцію з вуглеволокна, яка змогла стрибнути на висоту у 30 метрів — у сто разів вище за її власну висоту. Робот важить всього 30 грамів, з яких 10 припадає на мотор, що і забезпечує ефективне співвідношення маси. Натягуючи свій каркас-пружину до центру, робот накопичує енергію для стрибка, яка швидко вивільняється, і зокрема завдяки утвореній обтічній формі, дає можливість розігнатися вгору зі швидкістю до 96,6 кілометра на годину. Так конструкція обскакала у висоті стрибків комах, жаб та найспритніших приматів, а також і відомі інженерні стрибучі конструкції. Робота вчені представили у журналі Nature.
nature video / YouTube
Вище голови не стрибнеш?
Стрибки зустрічаються у живих істот різних видів та розмірів, але виконуються напрочуд схожими способами та мають чіткі кількісні показники, за якими їх можна порівняти: висота стрибка та відстань, яку вдалося подолати. Сьогодні відомо безліч факторів, які можуть вплинути на успіх у стрибках: довжина ніг стрибуна, його зріст, вага, конструкція м'язів та їхня динаміка. Таким чином біологи добре знають шкалу можливостей тварин у цьому виді активності. А оскільки стрибки можуть бути ефективним способом пересування, на напрацювання біологів, як часто буває, звернули увагу й інженери, повторюючи вже створені природою конструкції. Наприклад, повторюючи стратегії, якими користується сарана або кажани-вампіри.
Проте інженери з Каліфорнійського університету переконані, що існуючі інженерні стрибучі конструкції не врахували однієї важливої відмінності між ними і природою: якщо у світі тварин стрибки обмежені роботою їхніх м'язів, яку ту можуть виконати за один раз, висота стрибка інженерного пристрою може бути набагато більшою, адже мотор, яким його можна наділити, може «множити» цю роботу. І зі своїм висновком вчені взялися за його експериментальне підтвердження, яке в результаті обійшло в ефективності як природних стрибунів, так і існуючі інженерні напрацювання.
З чого зібрали стрибунця?
Передусім інженери взялися за моделювання різних стрибкових механізмів, щоб визначити енергетичні витрати на них та їхню ефективність. У своїй роботі вони досліджували два аспекти механіки стрибків як руху, що створюється прикладеними стрибуном до опори (землі) силами за збереження постійно маси. Перший — це максимальна енергія, яку зможе створити стрибун на одиницю своєї маси, а другий — це ефективність перетворення цієї енергії у висоту стрибка.
Як тварини, так і техніка можуть мати один з двох типів трансмісії — прямий привод або такий, що приводиться в дію пружиною. У першому випадку двигун безпосередньо з'єднується через жорстке і легке сухожилля з важільним механізмом (таким користуються в стрибках, наприклад, собаки або ящірки), який необхідний для передачі зусиль для відштовхування від землі, а в другому двигун може повільно попередньо розтягувати пружину до того, як пружина швидко вивільнить енергію в механізмі важеля (таке спостерігається, наприклад, у бліх).
Враховуючи розміри своєї конструкції — 30 сантиметрів у висоту і 30 грамів ваги — дослідники зупинилися на пружинній передачі, обравши невеликий двигун вагою у 10 грамів, що обертається з великим передатним числом (1000:1). Це дозволяє двигуну стискати відносно велику пружину навколо його осі, з натягом у 130 ньютонів. Щоб змусити пристрій стрибати, електромотор починає натягувати трос, який стискає дуги з вуглецевого волокна. У ході обертання вала, який їх стискає через трос, паралельно гнучкі троси між цими дугами, навпаки, розтягуються.
Elliot W. Hawkes et al. / Nature, 2022
Отримана таким гібридним способом, тобто з двох видів деформації, енергія, яка вивільняється через механізм засувки, і дає можливість стрибати на висоту, у сотні разів більшу за розміри робота. Як тільки робот приземляється на бік, він може випрямитися, знову натягнувши пружину, і підготуватися до наступного стрибка.
Куди дострибався робот?
Відношення маси пружини до мотора становить 1,2, що відповідає отриманому в результаті моделювання значенню цього показника для ефективності стрибків у тварин та штучних стрибунів. У результаті питома енергія конструкції, тобто енергія, яка може накопичуватися та вивільнятися на одиницю маси пружини, склала 1,075 джоуля на кілограм. Це дозволило роботу досягти у своєму стрибку прискорення більш ніж 28 метрів за секунду за 9 мілісекунд і стрибнути на висоту 32,9 метра — практично 10-поверхового будинку.
Стрибання робота і його повернення до форми. Elliot W. Hawkes et al. / Nature, 2022
Для порівняння, найкращі показники інженерних конструкцій становлять 3,7 метра, а у тварин, зокрема приматів галаго — 2,25 метра. Моделювання передбачає, що це, імовірно, найкращий результат, якого можна досягти з такою конструкцією. Однак потенційно робот зможе стрибнути ще вище, якщо знайти потрібний матеріал.
За словами вчених, поки що це найкращий результат із можливих, враховуючи доступні в інженерії матеріали. Вони відзначають, що дизайн конструкції передбачає високу адаптивність завдяки гнучкості, і якщо на Землі він зможе долати в русі перешкоди заввишки 30 метрів, то на Місяці, враховуючи гравітацію, це будуть вже 125 метрів заввишки і пів кілометра завдовжки. Тому вчені пропонують врахувати їхні результати з відмінностей біологічних та інженерних стрибунів та використовувати їх для створення стрибучих конструкцій.
nature video / YouTube
Як ми вже вказали, стрибки є доволі захоплюючим для вчених явищем, які не припиняють їхнє вивчення. Так, наприклад, інженери використали навички стрибання (хоча скоріше безпечного приземлення) у геконів та наділили свого робота схожим хвостом, щоб той міг сідати у польоті на вертикальну поверхню. А нещодавно личинки жуків здивували біологів новим способом стрибання, який раніше наука не описувала — з використанням двох кінців свого тіла. А канадські біологи з'ясували, що в умовах зневоднення та підвищення температури у жаб погіршується здатність стрибати.