Dzięki skuteczniejszej metodzie sztucznego zapylania rolnicy będą w przyszłości mogli uprawiać owoce i warzywa w wielopoziomowych magazynach, zwiększając plony, a jednocześnie łagodząc niektóre szkodliwe skutki rolnictwa na środowisko.
Aby urzeczywistnić ten pomysł, badacze z MIT opracowują roboty-owady, które pewnego dnia będą mogły wypełzać z mechanicznych uli i szybko przeprowadzać precyzyjne zapylanie. Jednak nawet najlepsze roboty wielkości owada nie dorównują naturalnym zapylaczom, takim jak pszczoły, pod względem wytrzymałości, szybkości i zwrotności.
Teraz, zainspirowani anatomią tych naturalnych zapylaczy, naukowcy zmienili swój projekt, tworząc maleńkie, powietrzne roboty, które są znacznie zwinniejsze i trwalsze niż poprzednie wersje.
Nowe boty mogą unosić się w powietrzu przez około 1000 sekund, czyli ponad 100 razy dłużej niż wcześniej wykazano. Robotyczny owad, który waży mniej niż spinacz do papieru, może latać znacznie szybciej niż podobne boty, wykonując akrobatyczne manewry, takie jak podwójne przewroty w powietrzu.
Zmodernizowany robot został zaprojektowany tak, aby zwiększyć precyzję i zwinność lotu, jednocześnie minimalizując naprężenia mechaniczne na wygięciach sztucznych skrzydeł, co umożliwia szybsze manewry, większą wytrzymałość i dłuższą żywotność.
Nowy projekt zapewnia również wystarczająco dużo wolnego miejsca, aby robot mógł przenosić maleńkie baterie lub czujniki, co umożliwiłoby mu samodzielne latanie poza laboratorium.
„Czas lotu, który wykazaliśmy w tym artykule, jest prawdopodobnie dłuższy niż cały czas lotu, jaki nasza dziedzina była w stanie wykonać za pomocą tych robotycznych owadów. Dzięki zwiększonej żywotności i precyzji tego robota zbliżamy się do kilku bardzo ekscytujących zastosowań jak wspomagane zapylanie” – mówi Kevin Chen, profesor nadzwyczajny na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS), kierownik Laboratorium Robotyki Miękkiej i Mikrorobotyki w Laboratorium Badawczym Elektroniki (RLE) oraz starszy autor książki artykuł ogólnodostępny na temat nowego projekt.
W artykule do Chena dołączają współautorzy Suhan Kim i Yi-Hsuan Hsiao, którzy są absolwentami EECS; a także absolwent EECS Zhijian Ren i student wizytujący latem Jiashu Huang. Wyniki badań ukazały się dzisiaj w czasopiśmie Science Robotics.
Zwiększanie wydajności
Wcześniejsze wersje robota-owada składały się z czterech identycznych jednostek, każda z dwoma skrzydłami, połączonych w prostokątne urządzenie wielkości mniej więcej mikrokasety.
„Ale nie ma owada, który miałby osiem skrzydeł. W naszym starym projekcie wydajność każdej pojedynczej jednostki była zawsze lepsza niż robota zmontowanego” – mówi Chen.
Ten spadek wydajności był częściowo spowodowany układem skrzydeł, które podczas trzepotania wdmuchiwały do siebie powietrze, zmniejszając generowane przez nie siły nośne.
Nowy projekt przecina robota na pół. Każda z czterech identycznych jednostek ma teraz jedno trzepoczące skrzydło skierowane w stronę przeciwną do środka robota, co stabilizuje skrzydła i zwiększa ich siłę nośną. Dzięki o połowę mniejszej liczbie skrzydeł konstrukcja ta uwalnia również miejsce, dzięki czemu robot może przenosić elektronikę.
Ponadto badacze stworzyli bardziej złożone przekładnie, które łączą skrzydła z siłownikami, czyli sztucznymi mięśniami, które nimi machają. Te trwałe przekładnie, które wymagały zaprojektowania dłuższych zawiasów skrzydełkowych, zmniejszają naprężenia mechaniczne, które ograniczały trwałość poprzednich wersji.
„W porównaniu ze starym robotem możemy teraz generować moment sterujący trzy razy większy niż wcześniej, dlatego możemy wykonywać bardzo wyrafinowane i bardzo dokładne loty z poszukiwaniem ścieżki” – mówi Chen.
Jednak nawet przy tych innowacjach projektowych nadal istnieje przepaść między najlepszymi robotami-owadami a prawdziwymi owadami. Na przykład pszczoła ma tylko dwa skrzydła, a mimo to może wykonywać szybkie i kontrolowane ruchy.
„Skrzydła pszczół są precyzyjnie kontrolowane przez bardzo wyrafinowany zestaw mięśni. Taki poziom dopracowania jest czymś, co naprawdę nas intryguje, ale nie udało nam się jeszcze tego powtórzyć” – mówi.
Mniejsze obciążenie, większa siła
Ruch skrzydeł robota napędzany jest sztucznymi mięśniami. Te maleńkie, miękkie siłowniki są wykonane z warstw elastomeru umieszczonych pomiędzy dwiema bardzo cienkimi elektrodami z nanorurek węglowych, a następnie zwiniętych w miękki cylinder. Siłowniki szybko się ściskają i wydłużają, wytwarzając siłę mechaniczną, która trzepocze skrzydłami.
W poprzednich konstrukcjach, gdy ruchy siłownika osiągały niezwykle wysokie częstotliwości potrzebne do lotu, urządzenia często zaczynały się wyboczyć. Zmniejsza to moc i wydajność robota. Nowe przekładnie hamują ten ruch zginający i wyboczeniowy, co zmniejsza obciążenie sztucznych mięśni i umożliwia im przyłożenie większej siły do machania skrzydłami.
Inny nowy projekt obejmuje długi zawias skrzydełkowy, który zmniejsza naprężenia skrętne występujące podczas ruchu trzepoczącego skrzydła. Jednym z największych wyzwań było wyprodukowanie zawiasu, który ma około 2 centymetry długości i zaledwie 200 mikronów średnicy.
„Jeśli w procesie produkcyjnym wystąpi choćby niewielki problem z ustawieniem, zawias skrzydła będzie pochylony, a nie prostokątny, co wpływa na kinematykę skrzydła” – mówi Chen.
Po wielu próbach naukowcy udoskonalili wieloetapowy proces cięcia laserowego, który umożliwił im precyzyjne wykonanie każdego zawiasu skrzydełkowego.
Po zamontowaniu wszystkich czterech jednostek nowy robot-owad może unosić się w powietrzu przez ponad 1000 sekund, co równa się prawie 17 minutom, nie wykazując żadnego pogorszenia precyzji lotu.
„Kiedy mój uczeń Nemo wykonywał ten lot, powiedział, że było to najwolniejsze 1000 sekund, jakie spędził w całym swoim życiu. Eksperyment był niezwykle stresujący” – mówi Chen.
Nowy robot osiągnął także średnią prędkość 35 centymetrów na sekundę, jak podają najszybsi badacze lotów, wykonując przewroty i podwójne przewroty. Może nawet precyzyjnie śledzić trajektorię, która oznacza MIT.
„W ostatecznym rozrachunku pokazaliśmy, że lot jest 100 razy dłuższy niż komukolwiek innemu w tej dziedzinie, więc jest to niezwykle ekscytujący wynik” – mówi.
Stąd Chen i jego uczniowie chcą zobaczyć, jak daleko mogą posunąć się w tym nowym projekcie, mając na celu osiągnięcie lotu dłuższego niż 10 000 sekund.
Chcą także poprawić precyzję robotów, aby mogły lądować i startować ze środka kwiatu. W dłuższej perspektywie badacze mają nadzieję zainstalować w robotach powietrznych maleńkie baterie i czujniki, aby mogły latać i poruszać się poza laboratorium.
„Ta nowa platforma robotyczna to ważny wynik naszej grupy i prowadzi w wielu ekscytujących kierunkach. Na przykład włączenie do tego robota czujników, akumulatorów i możliwości obliczeniowych będzie głównym tematem w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat” – mówi Chen.
Badania te są częściowo finansowane przez amerykańską National Science Foundation i stypendium Mathworks Fellowship.