Коники, можливо, не відразу спадають на думку як зразки граціозного польоту. Але для команди інженерів із Принстона ці довготелесі комахи надихнули на новий підхід до створення роботизованих крил.
Типові конструкції летючих роботів розміром із комаху черпають натхнення з бджіл або мух, покладаючись на постійний маховий рух. Цей маховий рух споживає багато енергії й забезпечити її подачу складно, оскільки батареї важкі, особливо для крихітних роботів. Коники додають до цього ще один спосіб. Вони не тільки махають крилами, а й стрибають та планерують.
"Планерування - це дешевий спосіб польоту", - сказала Еймі Вісса, доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної техніки та керівник дослідження. Її команда вивчає коників, щоб створити планер, який може складати та розкладати крила та змінювати стратегію залежно від ситуації. «Коли нам потрібно створити тягу, ми махаємо крилами. Коли нам потрібно заощадити енергію, ми повністю розкриваємо крила та планеруємо».
Вивчивши особливості планерування коників, команда розробила модель, яка може забезпечити мультимодальне пересування для крихітних роботів. Це може відкрити перед інженерами нові можливості у прагненні збільшити час польоту роботів розміром із комаху.
Інженери об'єдналися з біологами, щоб розкрити секрет ефективного планерування коників. На основі отриманих даних вони надрукували на 3D-принтері моделі крил завширшки від двох до чотирьох дюймів. Статтю було опубліковано в журналі Journal of the Royal Society Interface.
Зниження енергоспоживання для польоту відкриває ряд можливостей для невеликих летючих роботів. Багато наявних моделей прив'язані до дротів для забезпечення достатнього живлення. Використання планерування як частини їхнього пересування може знизити енергоспоживання, що дозволить зменшити корисне навантаження батареї та забезпечить політ без прив'язки. Крім того, більше енергії можна буде спрямувати на інші види пересування, такі як повзання чи стрибки.
Проєкт почався з одного питання, як стверджують дослідники: як можна спроєктувати маленьких роботів, які, подібно до комах, безперешкодно переміщуються по землі та повітрю?
Ефективно планерувати можуть лише три групи комах: коники, бабки та метелики. Хоча коники не обов'язково є кращими планерами в цілому, вони мають унікальну здатність акуратно втягувати крила, складаючи їх гармошкою.
Складання крил забезпечує кращу мобільність на землі, як стверджує Пол Лі, аспірант у галузі машинобудування та аерокосмічної техніки та провідний автор статті. "Крила бабок завжди стирчать прямо, а крила метеликів можуть складатися тільки вгору, що обмежує їхні можливості", - сказав він.
Ця особливість також знижує опір повітря, коли коники стрибають із землі, переходячи в політ, додала Вісса.
Коли дослідники почали вирішувати, які особливості крила коника копіювати, вони виявили, що біологія не дає чітких відповідей на питання про те, як кожен аспект крила впливає на політ. "Потім дослідницьке питання змінилося", - сказала Вісса. Замість копіювати відомі біологічні принципи будови коників, їм довелося самим їх відкривати.
Команда проаналізувала крила справжніх коників, щоб з'ясувати, як саме вони так ефективно літають, співпрацюючи з ентомологами з Університету Іллінойсу в Урбан-Шампейні. Вони зосередилися на американському конику, також званому пташиним коником, через його чудові льотні навички.
У коників дві пари крил: передні та задні. Заднє крило коника має гофровану структуру, тобто тривимірний малюнок вгору-вниз, як гострі пагорби та долини, що дозволяє йому акуратно складатися. Біологи давно знають, що переднє крило в основному використовується для захисту та маскування, тому дослідники вивчили заднє крило, щоб з'ясувати, як воно використовується для поєднання махального та планерувального польотів.
Дослідники провели комп'ютерну томографію (КТ) — метод візуалізації, який використовує рентгенівські промені та обчислювальні технології для отримання детальної геометрії об'єкта — справжніх крил коника в Принстонському центрі аналізу зображень.
Вони розробили нову процедуру перетворення КТ-сканів у 3D-моделі, придатні для друку, яку докладно описують у статті та яка може бути корисною для майбутніх досліджень пересування комах. Використовуючи дані, вони надрукували на 3D-принтері моделі крил різної конструкції, застосовуючи різні принципи для перевірки впливу кожної деталі на льотні характеристики.
За словами Вісси, однією з переваг використання інженерних методів для розуміння біології є можливість ізолювати різні особливості – такі як форма крила, вигин чи гофрування – та тестувати кожну з них окремо. "Зі справжньою комахою це неможливо", - сказала вона.
Вони протестували надруковані на 3D принтері крила у водному каналі, оцінивши аеродинамічні характеристики на основі того, як вода обтікає крило. Потім вони використовували зібрані дані для подальшого покращення конструкції. Вони надрукували нові крила і прикріпили їх до невеликих каркасів, щоб створити реалістичні планери, натхненні кониками.
Нарешті, вони провели льотні експерименти, запускаючи планери над лабораторією робототехніки Принстона та використовуючи вдосконалену систему захоплення рухів для оцінки льотних характеристик. Використовуючи біологічні зразки для порівняння, вони виявили, що характеристики планера можна порівняти з характеристиками реальних коників.
Вони також порівняли своє крило, надихнуте кониками, з іншою стандартною конструкцією крила. Стандартна конструкція нагадувала гладку версію заднього крила коника та дозволила зрозуміти, як гофрування впливає на характеристики. Гладке крило дозволило планеру літати ефективніше і з більшою повторюваністю, ніж крило з природним гофруванням.
"Це показало нам, що це гофрування могло розвинутися з інших причин", - сказала Вісса. Наприклад, тести показали, що гофрування може сприяти польоту під крутими кутами. Вісса сказала, що це дослідження є яскравим прикладом того, як інженерія може робити внесок у біологію і навпаки.
Найкращі результати показали протестовані ними планери з гладкою, а не гофрованою поверхнею, але майбутні дослідження можуть пролити світло на те, як включити гофрування для складання крил, зберігаючи при цьому максимальну ефективність планерування.
Дослідники продовжують вивчати коників, щоб знайти способи, що дозволяють новим крилам розкриватися зі складеного положення, мінімізуючи при цьому потребу в додаткових двигунах або джерелах живлення. "Про те, як коники розкривають свої крила, відомо дуже мало", - сказав Вісса. Розкриття цього питання може значно заощадити енергію та зменшити розмір та вартість летючих роботів-комах.
Вісса сказав, що наступним кроком буде поєднання конструкції зі здатністю до стрибків. "Якщо ви можете перемикатися з повзання на стрибок, то ви можете долати перешкоди, які набагато перевершують ваш власний розмір", - сказав Вісса.
"Це дослідження коників відкриває нові можливості не тільки для польоту, але і для мультимодального пересування", - сказав Лі. «Об'єднавши біологію та інженерію, ми можемо створювати та розробляти щось зовсім нове».
