Исследователи из Университета Иллинойса сделали значительный шаг вперед в разработке прыгающих роботов размером с насекомое, которые могут выполнять задачи в небольших помещениях, используемых в механических, культурных и поисково-спасательных условиях.
Прыгающие роботы достаточно малы, чтобы вписываться в узкие пространства, преодолевать препятствия и двигаться достаточно быстро, чтобы имитировать быстрое время побега настоящего насекомого.
Чтобы изготовить прыгающих роботов, исследователи изучили анатомию, механику и эволюцию жуков-щелкунов за последнее десятилетие. В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья с подробным описанием результатов исследования "Прыгающие роботы размером с насекомое, управляемые каскадом динамического изгиба".
Использование энергии упругости для преодоления препятствий
Исследование, проведенное в 2020 году, показало, что мгновенное изгибание - быстрое высвобождение энергии упругости – спиральной мышцы в грудной клетке щелкуна срабатывает, позволяя ему подниматься в воздух в несколько раз больше длины тела. Эта аномалия позволяет жуку преодолевать трудности, связанные с переворачиванием на спину.
“Одна из главных задач мелкомасштабной робототехники - найти конструкцию, которая была бы небольшой, но достаточно мощной, чтобы обходить препятствия или быстро избегать опасных ситуаций”, - сказал профессор Самех Тауфик, который руководил исследованием.
Для прыгающих роботов команда использовала крошечные спиральные приводы, которые представляют собой мышцы животных, которые тянут за собой механизм в форме луча. Эта часть конструкции позволяет механизму накапливать энергию упругости до тех пор, пока она не будет самопроизвольно высвобождаться и усиливаться, поднимая роботов вверх.
“Этот процесс, называемый каскадом динамического изгиба, прост по сравнению с анатомией жука-щелкуна. Однако в данном случае простота хороша, потому что она позволяет нам работать и изготавливать детали в таком небольшом масштабе ”– сказал Тауфик.
Руководствуясь биологической эволюцией и математическими моделями, исследователи построили и протестировали четырех прыгающих роботов с различными вариациями. В конце концов, они приземлились на две конфигурации, которые могли успешно прыгать без ручного вмешательства.
Как будут использоваться роботы?
“Двигаясь вперед, у нас нет определенного подхода к точному дизайну следующего поколения этих роботов, но это исследование закладывает зерно в развитие этой технологии - процесс, аналогичный биологической эволюции”, – сказал Тауфик.
Исследователи заявили, что эти прыгающие роботы будут полезны при доступе в труднодоступные места, чтобы помочь выполнять техническое обслуживание больших машин, таких как турбины и реактивные двигатели. Роботы смогут делать снимки, чтобы выявлять проблемы внутри машин и получать доступ к небольшим пространствам, труднодоступным для людей.
Тауфик заключил: “Мы также предполагаем, что прыгающие роботы размером с насекомых могут быть полезны в современном сельском хозяйстве. В настоящее время ученые и фермеры используют дроны и марсоходы для мониторинга урожая, но иногда исследователям нужен датчик, чтобы прикоснуться к растению или сделать снимок очень мелкомасштабного объекта. Роботы размером с насекомое могут это делать ”.