En liten fyrvingad robotinsekt flyger mer som den äkta varan

Många insekter är kraftfulla, smidiga flygblad. En anledning är att de flesta har fyra vingar, vilket ger dem fin kontroll över sin flygriktning och sin orientering genom stigning, rullning och girjustering.

Under de senaste åren har aerodynamiker, ingenjörer och robotiker försökt kopiera insektsliknande flygningar genom att bygga små flygande robotar. Det viktigaste de har upptäckt är hur svårt det här är.

En fyrvingad robot (höger) bredvid en tvåvingad design och en amerikansk penny

En av de minsta flygmaskiner som någonsin byggts hette RoboBee; den drevs fram av två flaxande vingar, var och en oberoende driven av sitt eget lilla ställdon. Faktum är att RoboBee bara var möjlig tack vare utvecklingen av dessa små ställdon, var och en vägde bara 25 milligram.

Men det fanns ett problem. I teorin borde RoboBees två flaxande vingar ha kunnat generera alla krafter som behövs för kontrollerad flygning. I praktiken kunde maskinen dock inte generera krafter som var kraftfulla nog att kontrollera girningen, så den viftade ofta okontrollerat.

En bättre design skulle ha varit ett fordon i insektsskala som hade fyra flaxande vingar, precis som riktiga insekter. Men detta hade bara varit möjligt om manöverdonen var betydligt lättare.

Ange Xiufeng Yang och kompisar från University of Southern California i Los Angeles. Dessa killar har utvecklat ställdon som väger hälften av tidigare versioner. De använde fyra av dem för att bygga en robot med fyra flaxande vingar, var och en med en spännvidd på bara 33 millimeter. Resultatet är en insektsliknande flygmaskin som heter Bee+. Den kan sitta, landa, följa en stig och undvika hinder.

Genombrottet bygger på en smart ingenjörskonst. Ställdonen i 2013 RoboBee var av en typ som kallas bimorfer. Dessa är fribärare gjorda av två lager av piezoelektriskt material separerade av ett passivt lager. De piezoelektriska lagren drar ihop sig omväxlande, vilket tvingar konsolen att böjas fram och tillbaka. Denna rörelse driver flaxandet av en vinge.

Dessa ställdon är enkla, små och lätta, vilket gör dem perfekta för insektsliknande flygningar. RoboBees två bimorfa ställdon väger bara 50 milligram, en betydande del av enhetens totala massa på 75 milligram.

Men Yang och co har hittat ett sätt att göra dem ännu lättare med en ställdondesign som kallas unimorph. Istället för två lager av piezoelektriskt material använder en unimorf en enda remsa fäst vid ett passivt lager. Den upprepade sammandragningen av det piezoelektriska lagret gör att konsolen böjs. Och rörelsen av spetsen på konsolen driver flaxandet av en ving.

Denna enkellagersdesign gör ställdonen betydligt lättare. De fyra unimorfa ställdonen väger faktiskt bara 56 milligram, bara några gram mer än två bimorfa. Dessutom förenklar de unimorfa ställdonen monteringsprocessen. Den nya designen minskar avsevärt komplexiteten i tillverkningsprocessen och den statistiska frekvensen av monteringsfel jämfört med den för tvåvingsrobotarna, säger Yang och co.

Och eftersom fordonets totala vikt är 95 milligram med fyra vingar, är vingbelastningen betydligt mindre än för RoboBee. Det minskar krafterna som verkar på ställdonen och ökar deras livslängd. Det föreslagna tillvägagångssättet har många fördelar när det gäller vikt, dimensioner, aerodynamik, kontroll och tillverkning, säger teamet.

En brist hos Bee+ (och andra insektsliknande flygblad som RoboBee) är att den måste drivas via en tjuder. Detta gör att Yang och co kan visa sin flygförmåga utan att oroa sig för den separata utmaningen med energilagring. Andra har demonstrerat robotinsekter som drivs av laserstrålar. Men kraften ombord är fortfarande en stor utmaning.

Du kan se Bee+ gå igenom dess steg här .

Det är intressant arbete som visar hur framsteg i insektsliknande robotar är avgörande för tekniska framsteg.

Faktum är att fler framsteg behövs i desperat behov. Bee+ kan vara inspirerad av insekter, men med sina 95 milligram är det en gigant jämfört med de riktiga varelserna. En humla, till exempel, väger cirka 10 milligramS och är självdriven för att starta.

Så ingenjörer kommer att behöva minska storleken och vikten på sina maskiner med åtminstone en storleksordning, och det är innan man överväger problemet med energilagring, som är ännu svårare. Av den anledningen kan det dröja innan vi ser robotar med verkligt insektsliknande egenskaper.

Ref: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : En 95-mg fyrvingad flygande robot i insektsskala som drivs av Twinned Unimorph ställdon

Dölj