Doğa örtüsü: Harvard tarihin en hafif uçan robotunu yapıyor! Ağırlık sadece 259 mg
Xin Zhiyuan Rehberi Bugün Nature dergisinin kapağı büyük bir çalışma yayınladı: Harvard Üniversitesi tarihteki en hafif otonom uçan robotu geliştirdi! Bu arı robotu yalnızca 259 miligramdır ve sürekli, sınırsız uçuş elde etmek için yalnızca güneş enerjisine ihtiyaç duyar!
Leonardo da Vinci çağında olduğu gibi, uçan hayvanlar insanın keşif ruhuna ilham verdi.İnsanlar, kanatlarını çırpabilen ve uçabilen makineler yaratmak için doğadaki uçan hayvanları taklit etmeye çalışıyorlar.
bugün Nature dergisinin kapak makalesi Makalede, Profesör Robert J. Wood liderliğindeki Harvard Microrobotics Laboratuvarı'ndan araştırmacılar, böcekleri simüle ederek yaptıkları uçan robotlarını gösterdiler. Bu, dört kanatlı bir arı robotudur. RoboBee X Kanadı .
Araştırmacılar iddia etti ki Bu, açık arayla en hafif böcek uçan araç, güneş pilleri kullanıyor ve bir ışık kaynağı olduğu sürece sürekli ve özgürce uçabiliyor. .
Böceklerden ilham alan bu robot, Şimdiye kadarki en hafif uçak , Güç ipi olmadan sürekli uçuş gerçekleştirebilir.
RoboBee X Kanadı Bir ataştan daha hafif olan 259 mg ağırlığındadır ve yaklaşık 3,5 cm kanat açıklığına sahiptir. .
Yaklaşık 10 miligram ağırlığındaki minyatür bir güneş pili tarafından desteklenmektedir; bu, bir RoboBee'yi sürmek için bir LED Noel ışıkları dizisindeki bir ampulü yakmaktan daha az enerji gerektirir.
Önceki minyatür uçan robotlarla karşılaştırıldığında, bu RoboBee daha iyi bir aktarım oranına, geliştirilmiş aktüatörlere ve bir çift ekstra kanada sahiptir.
Bu iyileştirmeler, bu mikro robotun, 6 güneş pili ve yerleşik elektronik ekipman taşıyın .
Araştırmacılar, bu engelsiz robotik arının çevresel keşif, arama ve kurtarma görevleri vb. İçin kullanılabileceğini söylediler.
Lütfen videoyu izleyin:
4 kanatlı arı robotu: 259 mg, güneş enerjili
Önceki arı robotları genellikle arılara çok benzeyecek şekilde tasarlanmıştı ve yaklaşık olarak arı kanadı büyüklüğünde iki kanat çırpıyorlardı. Sonuçta arılar iki kanatla pek çok şeyi yapabilirler, peki neden robotlar yapamaz?
Gerçekler, kanatlı mikro robotların arıların yapabildiklerini yapamamasının birçok nedeni olduğunu kanıtlamıştır.Örneğin, sapma kontrolü probleminin aldatıcı olduğu kanıtlanmıştır. İki kanat yerine dört kanat tasarımının arıya benzememesinin sebeplerinden biri de budur.
Ek olarak, kanat çırpma robotları, sabit kanatlı İHA'lar ve dört rotorlu helikopterlere göre bazı potansiyel avantajlara sahiptir. Çırpınan kanatlar, hayvanları ve makineleri oldukça esnek ve manevra kabiliyetli hale getirir - örneğin, yarasalar bodrum katlarında, mağaralarda ve yoğun ormanlarda kolayca uçabilirler. Ayrıca kanat çırpan kanatlar genellikle bir pervanenin ucundan daha yavaştır, bu nedenle daha sessizdirler ve bir kişiye çarptıklarında daha az hasara neden olabilirler.
Böcek boyutunda uçan bir robot elde etmenin 3 özel zorluğu vardır.
Her şeyden önce, Materyal hem güçlü hem de hafif olmalıdır .
İkincisi, insan tasarımı Aktüatör (Enerjiyi harekete dönüştüren cihaz) ve pil Biyolojik dokuların güç ve enerji yoğunluğu elde edilemeyecek kadar uzaktadır.
Üçüncüsü, hayvanlar genellikle istikrarlı uçuş ve kontrol sağlamak için kullanılır. Algılama ve kontrol algoritması İnanılmaz derecede karmaşık. Süper bilgisayarlarla bile, tipik bir böcek beyni yalnızca yaklaşık 1 milyon nörona sahip olmasına rağmen, bu, bir süper bilgisayar işleme sistemindeki bileşenlerin sayısından daha az büyüklükte bir sıra olsa bile, hayvan uçuş algoritmalarını simüle etmek zordur.
Elbette Jafferis ekibinin işi, otonom olarak uçabilen ilk kanat çırpan robot böcek değil. Geçen yıl ICRA'da, Washington Üniversitesi'ndeki bir ekip, bir lazer güneş pillerini hedef aldığında havalanabilen bir çift kanatlı robotu gösterdi. Ancak Harvard Üniversitesi robot arı sadece "havalanmakla" kalmaz, havada uçmaya da devam edebilir.
RoboBee X-Wing robotunun yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Sürekli uçuş, sürekli bir güç kaynağı ve hafif bir güç kaynağı gerektirir. Önceki böcek robotlarında, kablolu güç kaynağı açıkça iyi değildi.
Yazar, kablolu güç sorunundan akıllıca kaçındı, ancak robot arının üzerine güneş panelleri kurdu. Yüksek yoğunluklu ışık kaynağı aydınlatması altında, güneş panelleri, yalnızca 259 miligramlık bu uçan sistemi çalıştırmaya yetecek kadar yaklaşık 120 milivat elektrik sağlayabilir.
RoboBee'nin özü, Lazer işleme teknolojisi kullanılarak kompozit malzemelerden yapılmış kanatlı kanat sistemi . Bu araştırma ekibinin bir özelliğidir, Harvard Mikro Robotik Laboratuvarı'ndaki bir araştırma grubuna aittirler. Ekip bir tasarım ve üretim aracı geliştirdi ve bu araç, küçük robotların üretimi için değerli (ve kıskanılacak) bir kaynak haline gelmek üzere oldukça olgun bir şekilde geliştirildi.
Piezoelektrik malzemelerin bir dezavantajı, malzeme üzerinde önemli bir kuvvet uygulayabilmelerine rağmen, küçük yer değiştirmelere neden olmaları ve yüksek voltaj gerektirmeleridir. Mevcut çalışmanın temel ilerlemesi, uygun kuvveti oluşturmak için mekanik iletimi optimize etmek ve güneş paneli tarafından üretilen düşük voltajı piezoelektrik malzemenin gerektirdiği 200 voltluk darbe gücüne dönüştüren hafif bir elektronik devre geliştirmektir. .
Tüm bu bileşenler, kanat sisteminin yukarısına asılan güneş panelleri ve kanatların altına sarkan elektronik ekipmanlar ile bu uzun ve ince uçan robotik arıyı oluşturmak için birleştirilmiştir.
Kesinlikle en güzel uçak değil, ama Işık yandığında, havalanacak ve sürekli, otonom, sınırsız uçuşa ulaşacaktır. .
Aşağıda sırasıyla arı robotunun pilinin, kanatlarının ve elektronik devre kartının üç temel bileşenini tanıtıyoruz.
Neden dört kanat? Arı robotunun üç temel bileşeninin analizi
Son yıllarda, insanlar "gram altı" uçakların geliştirilmesine büyük bir ilgi duymuşlardır.Bu tür otonom uçakların yüksek manevra kabiliyetine sahip olması ve sınırlı alanlarda çevresel izleme ve navigasyon gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılabilmesi beklenmektedir. Bununla birlikte, milimetre seviyesindeki uçakların (MAV) boyutları küçüldükçe, daha önce olduğundan farklı bir çalıştırma stratejisi ve aşırı küçük boyutun getirdiği birçok sınırlamanın üstesinden gelmek için bükülmeye dayalı bir iç yapı benimsemek gerekmektedir. Boyut sorunu, elektromanyetik motorun performansını düşürür ve geleneksel yatağın sürtünmesinden kaynaklanan kaybı artırır.
Milimetre seviyesindeki uçaklarda, piezoelektrik genellikle çalıştırma kaynağı olarak seçilir çünkü güç yoğunluğu ölçeği L ^ -1'dir (burada L, aktüatörün uzunluğudur) ve aktüatörün salınım çalışması, kanadınki ile karşılaştırılabilir. Egzersiz için iyi bir eşleşme bekleyin. Üretim ve montaj teknolojisindeki gelişmeler, mikro robot sistemlerindeki uygulamaların sağlamlığını daha da artırmıştır. Ancak, bu tür bir uçak uçuşu, harici güç ve kontrol sistemlerine dayanmalıdır.
Bu makalede, aksesuarsız sürekli uçuş elde etmek için "böcek sınıfı" uçağın içine ultra düşük ağırlıklı bir güç kaynağı ve sinyal üreteci (Şekil 1a) entegre ettik (Şekil 1b). Bu uçağa RoboBee XWing adını verdik (Şekil 2a).
Şekil 1: RoboBee XWing uçağı ve performansı. a. Uçağın kütlesi sadece 90 mg, dört kanatlı ve 3,5 cm kanat açıklığı. Güneş pilleri, kanatların aerodinamiğine engel olmak için aracın 3 cm yukarısına yerleştirilmiştir. Tahrik elektroniği, kütle merkezi ile basınç merkezi hizalanacak şekilde konumlandırılmıştır. Tüm entegre sistem 259 mg ağırlığında ve 6,5 cm yüksekliğindedir. b. Aksesuarsız uçuş sırasında, uçak ayarlara göre video çekecektir. Işık kaynağı, doğrudan rafın dışında güneşin yaklaşık üç katı yoğunluk sağlar. Güneş dizisine bağlanan Kevlar telin işlevi uçuş güvenliğini sağlamaktır.
Şekil 2 | Uçağın tasarımı. a, RoboBee XWing. b. Alümina köprüsü piezoelektrik aktüatör (PZT bir piezoelektrik dönüştürücüdür). c. Uçağın yakın plan üstten görünümünde, her bir aktüatör ile iki kanat arasındaki bağlantı mekanizmasını (Şekil a'daki uçak için sol taraf) ve her aktüatörün bir kanadı bağladığı yapıyı (sağ taraf) görebilirsiniz. , Önceki uçak) karşılaştırması için kullanılır. Resimdeki sarı kısım, iki kanadı şanzımana sabitleyen adaptördür. Ek olarak, aktarım oranı T ve kanat hareketi strokunun dönme merkezi görüntülenir. d, pik kaldırma çalışma koşulları altında (210 V, 165 Hz), zaman içindeki kanat hareketinin aerodinamik diyagramı.
Uçağın durumu, sürüş elektroniğinin ve güç kaynağının kaldırma kuvveti, ağırlığı, gücü ve verimliliği göz önünde bulundurularak uçuşun aksesuarsız gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Işık yoğunluğu 5-7 güneşe eşdeğerdir (1 sun1kW m 2), bu koşul sağlanamaz. Bu sorunu çözmek için yeni bir tasarım yaklaşımı benimsedik (Şekil 2a). Birincisi, aktüatör tasarımının iyileştirilmesidir (Şekil 2b) Aktarım oranının azaltılması (kanat strok açısının aktüatör ucunun sapmasına oranı) tepe kaldırma kuvvetini% 38 arttırır (aktüatör boyutunu değiştirmeden tutarken).
Güç tüketimini önemli ölçüde artırmadan kaldırmada önemli bir artış elde etmek için, kanadın hareket hızını düşürerek ve kanat alanını artırarak, güç = kuvvet × hız elde edilebilir. Kanat alanını artırmanın en etkili yolu daha fazla kanat eklemektir (Şekil 2c) Dört kanatlı bir uçak, verimliliği% 30'a kadar artırabilir.
Şekil 3: Sürücü elektronik devresi. a. Üç tahrik dalga formu aynı kanat hareketini üretecektir. b, çift yönlü geri dönüş dönüştürücünün devre şeması. VIN giriş voltajıdır, CIN giriş kondansatörüdür, QL düşük anahtardır, DL düşük diyottur, LP transformatörün birincil sargısıdır, LS transformatör sekonder sargısıdır, QH yüksek anahtardır, DH yüksek diyottur ve VO çıkış voltajıdır. c, b'den (mor) iki çift yönlü geri dönüş dönüştürücü içeren, iki piezoelektrik gofret ("aktüatörler" etiketli) süren tam devre şeması. Mikrodenetleyici birimindeki (MCU) bir analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) (turuncu), sırasıyla kart A (V A) veya kart B'nin (V B) çıkış voltajını izler. Bir tarama tablosu, sonucu beklenen gerilim V des ile karşılaştırır ve ilgili anahtar için bir darbe sinyali üretir. D ve c'ye karşılık gelen gerçek kısımlar.
Şekil 4 | Elektrik sinyallerini çalıştırmanın şematik diyagramı. a, Aktüatörün gerilim adını, polarizasyon yönünü (kırmızı ok) ve bükülme yönünü (mavi ok) gösteren enine kesit görünümü. b, uçağa uygulanan ölçülen voltaj. Karşılaştırma amacıyla, idealleştirilmiş düz sinüzoidal voltaj sinyali (Vpp = 193 V, f = 174 Hz, verilere uyması için 8,4 V'luk bir voltaj kayması ekliyoruz. C, karşılık gelen giriş voltajı (V IN); V OC Fotovoltaik hücre dizisinin açık devre voltajıdır d, ölçülen verilerin genlik karşılaştırması (V diff) ve idealize edilmiş düz sinüzoidin ilk birkaç harmoniği.
5-7 güneş doğabilir! Gelecekteki optimizasyon için geniş alan
Cihazın kendisi etkileyici bir başarıdır ve ayrıca ekip tarafından gerçekleştirilen sistemin detaylı modellemesi ve tasarımı da dikkate değerdir. Uçan robotik arılar sadece parçaları bir araya getirmekle kalmaz. Aynı zamanda ağırlık, güç, kontrol, güç, esneklik ve hatta maliyet gibi çeşitli faktörler arasındaki dengeyi de yansıtır.
Halen yapılacak çok iş var ve robot sürüsünün gökyüzüne uçacağı noktaya tam olarak ulaşmış değiliz. Jafferis ve meslektaşlarının robotları, havalanmaya yetecek kadar enerji üretmek için yoğun ışığa ihtiyaç duyuyorlar (güneşin en az 5-7 katı) Araştırmacılar, gelecekteki çalışmanın güç talebini bir güneşin yoğunluğuna düşürmek olduğunu söyledi.
Ek olarak, robot görüş alanından bir saniyeden daha kısa sürede kayboldu ve muhtemelen inmeye zorlanacaktı. RoboBee X-Wing, otonom uçuşu gerçekten gerçekleştirmeden önce, bazı tasarım optimizasyonlarına ve diğer çalışmalara ihtiyaç vardır.
Doğa kağıdı adresi:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1322-0
