Самому опытному летчику-каскадеру вряд ли удалось бы превзойти в мастерстве высшего пилотажа обычную плодовую мушку. Летающие насекомые — одни из самых проворных существ на планете, легко выполняющие резкие повороты, мгновенные остановки и перевороты в полете. Инженеры давно стремятся наделить подобной ловкостью роботов и дроны сопоставимого размера. И вот группа ученых из Массачусетского технологического института (MIT) совершила крупный шаг к этой цели. Их миниатюрный крылатый робот, описанный в журнале Science Advances, быстрее и ловчее всех предшественников — почти сравним с настоящими насекомыми.
Новинка стала «огромным шагом в производительности микророботов», считает аэрокосмический инженер Хоанг-Ву Фан из Университета Невады в Рино: «Эта работа приближает нас к созданию по-настоящему автономных летающих роботов размером с насекомое, способных выполнять реальные задачи».
Инженерно-технические сложности
Хотя за последние годы летающие дроны и другие аппараты стали сложнее, уменьшить их до размеров насекомого оказалось крайне трудной задачей.
«Все приходится создавать с нуля», — объясняет Юйфэн «Кевин» Чен, инженер-физик из MIT и соавтор исследования.
На малых масштабах двигатели теряют эффективность, а даже слабая турбулентность нагружает машущие крылья и микроскопические шарниры, для экономии веса сделанные тонкими и хрупкими. И если настоящие насекомые могут без вреда врезаться в оконные стекла и выдерживать сильные порывы ветра, летающие микророботы гораздо менее прочны и часто быстро выходят из строя — синтетические материалы просто не могут сравниться по прочности с частями тела насекомых.
В предыдущем проекте команде Чена удалось преодолеть многие аппаратные ограничения, создав устойчивого летающего робота массой 750 миллиграммов, способного оставаться в воздухе до 1000 секунд подряд. Нерешенной проблемой оставалось создание эффективного электронного «мозга». Чтобы успешно ускоряться, поворачивать и кувыркаться в воздухе, микроробот должен постоянно подстраиваться под малейшие изменения воздушного потока и трения. Для этого требуется исключительно эффективный контроллер, способный управлять полетом в условиях неопределенности.
Нейросеть предсказывает полет
С этим справился соавтор работы Джонатан Хоу, астрофизик и авиаинженер из MIT, разработавший так называемый трубчатый прогнозирующий контроллер (tube MPC). Он объяснил принцип работы такого управления: если человек пытается попасть из точки А в точку Б, он может проложить один прямой маршрут. Но если его снесет с пути, как понять, что исходный маршрут по-прежнему безопасен? Трубчатый MPC решает эту проблему, создавая вокруг основной траектории робота буферную зону в форме трубы, гарантируя, что помехи не выбьют его в опасную область.
Но настоящим «секретным ингредиентом» контроллера стало использование нейросети — алгоритма, имитирующего центральную нервную систему настоящих плодовых мушек, добавил Хоу. Такое программирование позволяет контроллеру быстро планировать оптимальные траектории, позволяя роботу энергично вращаться в воздухе «таким образом, чтобы не разбиться».
В результате устройство размером всего 4 сантиметра и весом меньше скрепки летает почти в пять раз быстрее и ускоряется вдвое быстрее существующих микророботов. Оно также может выполнять резкие повороты, выдерживая порывы ветра до 160 см/с, и — что, пожалуй, впечатляет больше всего — способно выполнить 10 последовательных сальто за 11 секунд. По словам Фана, робот демонстрирует «скорость, маневренность и устойчивость, ранее наблюдавшуюся лишь у настоящих насекомых».
Что дальше
Разумеется, остаются серьезные ограничения. Самый значительный недостаток — провод. Отказаться от него не получается — в такой миниатюрной машинке некуда ставить батарею достаточной емкости.
Привязь остается долгосрочным препятствием, но Чен и Хоу также надеются разработать достаточно миниатюрные камеры и другие датчики, которые можно будет разместить на борту робота. Это может сделать его полезным в поисково-спасательных операциях. «Если произойдет землетрясение, мы могли бы отправлять таких крошечных роботов в щели и завалы», — говорит Чен.
Летающих роботов размером с насекомое также рассматривают как инструмент для вспомогательного опыления — но это разве что в очень отдаленной перспективе. Посадка на нежный цветок невозможна, признает Хоу: «Нам бы очень хотелось этого — просто подлететь и, так сказать, мягко спикировать на него. Но это пока за пределами наших возможностей».
Крошечный робот летает с помощью магнетизма: видео
Создана робоптица, которая умеет взлетать (видео)
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram