Летучие мыши известны своим акробатическим мастерством: они проносятся по воздуху, чтобы поймать обед, или изящно висят вверх ногами, чтобы поспать. Теперь ученые создали робота, вдохновленного этими летающими существами. Названный "Бэт-бот", он может летать, поворачивать и проноситься, как его реальный аналог в животном мире.
По крайней мере, со времен Леонардо да Винчи ученые пытались имитировать акробатические маневры летучих мышей в небе. По словам исследователей, когда-нибудь роботизированные летучие мыши смогут помогать доставлять посылки или осматривать различные районы - от зон стихийных бедствий до строительных площадок.
"Полет летучей мыши - это Святой Грааль воздушной робототехники"
- сказал соавтор исследования Сун-Джо Чанг, инженер-робототехник Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА (оба в Пасадене).
Учимся у животных
Летучие мыши, возможно, обладают самыми сложными крыльями в животном мире: в их крыльях более 40 суставов, которые обеспечивают беспрецедентную маневренность во время полета, вероятно, для того, чтобы они могли преследовать столь же проворную добычу в виде насекомых, говорят исследователи.
"Всякий раз, когда я вижу, как летучие мыши совершают резкие повороты или перевернуты вверх ногами с помощью элегантных движений крыльев, я просто заворожен"
- сказал Чанг в интервью Live Science.
В предыдущих работах были созданы различные летающие роботы, биологически вдохновленные насекомыми и птицами. Однако попытки создать роботов, имитирующих летучих мышей, не увенчались успехом из-за сложности крыльев летучих мышей, таких как множество суставов, говорят исследователи.
Теперь Чанг и его коллеги разработали "Бэт-бота", или B2, робота, который может летать, поворачивать и проноситься, как летучая мышь. Цель - "создать безопасного, энергоэффективного робота с мягкими крыльями", - сказал Чанг в интервью Live Science.
По словам исследователей, предыдущие роботы-летучие мыши слишком близко повторяли скелетную анатомию этих летающих существ, в результате чего роботы получались слишком громоздкими, чтобы летать.
Вместо этого ученые выяснили, какие компоненты являются ключевыми для биения крыла летучей мыши - плечевые, локтевые и лучезапястные суставы, а также махи бедрами из стороны в сторону - и использовали только их в своем роботе.
В то время как обычные машущие крыльями роботы использовали жесткие крылья, Bat Bot имеет тонкие, эластичные крылья.
"Когда летучая мышь машет крыльями, они как резиновый лист - наполняются воздухом и деформируются"
- сказал соавтор исследования Сет Хатчинсон, инженер-робототехник из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.
Во время движения вниз "гибкое крыло наполняется воздухом, а в конце движения вниз оно сгибается обратно и выпускает воздух, что создает дополнительную подъемную силу"
- пояснил он.
"Это дает нам дополнительное время полета".
Знакомство с ботом-летучей мышью
Крылья Бэт-бота состоят из костей из углеродного волокна и шаровидных шарниров из 3D-печатной пластмассы, все это покрыто мягкой, прочной, ультратонкой кожей на основе силикона толщиной всего 56 микрон (для сравнения, средний человеческий волос имеет толщину около 100 микрон).
Робот машет крыльями до 10 раз в секунду с помощью микродвигателей в позвоночнике. Бэт-бот весил всего 93 грамма и имел размах крыльев около 47 сантиметров - такие же размеры, как у египетских плодовых летучих мышей, сказал Чанг.
В экспериментах Bat Bot мог летать со скоростью в среднем 5,6 метров в секунду. Он также мог выполнять резкие повороты и нырять по прямой, достигая скорости 14 м/с при снижении.
По словам исследователей, мягкость и легкий вес робота делают его более безопасным для использования рядом с людьми, чем, например, квадроторные дроны, которые популярны в коммерческой сфере. По их словам, например, Bat Bot практически не причинит вреда, если врежется в людей или другие препятствия в окружающей среде.
В отличие от них, квадрокоптеры вращают лопасти своего ротора с высокой скоростью - до 18 000 оборотов в минуту, что может привести к опасному взаимодействию, сказал Чанг.
"Высокоскоростные лопасти роторов квадроторов и других летательных аппаратов по своей природе небезопасны для человека"
- сказал Чанг.
"Наш Bat Bot значительно более безопасен".
Более безопасная и маневренная природа Бэт-бота может найти широкое применение. Например, Бэт-боты могли бы служить
"воздушными роботами для обслуживания дома или в больницах, чтобы помогать пожилым людям или инвалидам, быстро доставая небольшие предметы, передавая аудио и видео с различных удаленных точек без необходимости жесткого крепления нескольких камер, и становясь забавными, похожими на домашних животных компаньонами"
- сказал Хатчинсон в интервью Live Science.
Многозадачные роботы
Еще одним потенциальным применением Bat Bots может стать
"надзор за строительными площадками"
- сказал Хатчинсон.
"Необходимость автоматизации строительства с помощью достижений в области информатики и робототехники была отмечена Национальной инженерной академией как одна из грандиозных задач инженерии в 21 веке"
- отметил он.
Динамичный и сложный характер строительных площадок препятствует развертыванию полностью или даже частично роботизированных и автоматизированных решений для их мониторинга.
"Отслеживание того, правильно ли и в нужное ли время собрано здание, является важной проблемой, и это не тривиальная проблема - в строительной отрасли на это тратится много денег"
- сказал Хатчинсон. Вместо этого боты Bat Bots могли бы
"летать вокруг, обращать внимание и сравнивать информационную модель здания с реальным зданием, которое строится"
- добавил он.
Бэт-боты также могут помочь в осмотре зон стихийных бедствий и других территорий.
"Например, воздушный робот, оснащенный детектором радиации, системой 3D-камер, датчиками температуры и влажности, мог бы обследовать что-то вроде ядерных реакторов Фукусимы [в Японии], где уровень радиации слишком высок для человека, или залетать в узкие щели, например, в шахты или обрушившиеся здания"
- сказал Хатчинсон.
"Такие высокоманевренные воздушные роботы, обладающие большей выносливостью и дальностью полета, чем квадрокоптеры, позволят добиться революционных успехов в мониторинге и восстановлении критически важных объектов инфраструктуры, таких как ядерные реакторы, электросети, мосты и границы".
Более того, Bat Bot может пролить свет на некоторые тайны полета летучих мышей. В настоящее время исследователи анализируют полет летучих мышей с помощью видео, но с помощью Bat Bot исследователи смогут разработать более совершенные модели аэродинамических сил, которые испытывают летучие мыши "за пределами того, что можно наблюдать только глазами", - сказал Хатчинсон.
Исследователи отметили, что пока Bat Bot не может переносить тяжелые предметы, но будущие версии роботизированной летучей мыши могут привести к "беспилотной доставке посылок", сказал Чанг.
По словам исследователей, в ходе будущих исследований могут быть достигнуты и другие аспекты полета летучей мыши, такие как зависание, сидение на земле или даже вверх ногами. Оперение более энергоэффективно, чем зависание,
"поскольку стационарное зависание затруднено для квадроторов при наличии даже слабого ветра, что часто встречается на строительных площадках"
- сказал Чанг.
Свои выводы ученые подробно изложили сегодня (1 февраля) в журнале Science Robotics.