Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Калифорнийского технологического института разработали автономную роботизированную летучую мышь, получившую название Bat Bot (B2), с мягкими шарнирными крыльями, которые могут имитировать основные механизмы полета биологических летучих мышей.«Наша работа демонстрирует один из самых передовых на сегодняшний день проектов автономного воздушного робота с машущими крыльями с морфологией летучей мыши, способного выполнять автономный полет», — пояснила Алиреза Рамезани, научный сотрудник Университета Иллинойса, получивший докторскую степень, который является первым автор статьи на обложке «Биомиметическая роботизированная платформа для изучения летных специализаций летучих мышей», появившейся в журнале AAAS Science Robotics 1 февраля. «Она весит всего 93 грамма, с динамическими сочленениями крыльев и формами крыльев, подобными таковым у биологических летучих мышей».Рамезани разработал прототип вместе со своими советниками Сун-Джо Чанг, ныне адъюнкт-профессором аэрокосмической отрасли в Калифорнийском технологическом институте, и Сетом Хатчинсоном из Иллинойса. Эти авторы сотрудничали с профессорами Университета Брауна Кеннетом Брейером и Шэрон Шварц, которые являются экспертами в области полета летучих мышей.
«Наша работа представляет собой конструктивную схему, имитирующую основные механизмы полета биологических летучих мышей», — сказал Чанг, который также является научным сотрудником Лаборатории реактивного движения, которой Калтех управляет для НАСА. «Не существует устоявшейся методологии реверс-инжиниринга сложных движений летучих мышей».Возможно, у летучих мышей самый изощренный механизм полета среди животных, о чем свидетельствует способность их крыльев изменять форму. Их механизм полета включает более 40 типов суставов, которые соединяют кости и мышцы друг с другом, создавая опорно-двигательный аппарат, который может изменять форму и способен двигаться в нескольких независимых направлениях.«B2 обладает рядом практических преимуществ перед другими воздушными роботами, такими как квадрокоптеры, — сказал Чанг. «У летучих мышей действительно больше 40 активных и пассивных суставов; мы сократили это количество до 9 (5 активных и 4 пассивных) суставов в роботе B2.
Податливые крылья похожего на летучую мышь машущего робота машут на более низких частотах (7-10 Гц против . 100-300 Гц квадрокоптеров) по своей сути безопасны: потому что их крылья состоят в основном из гибких материалов и могут сталкиваться друг с другом или с препятствиями в окружающей среде с небольшими повреждениями или без них ».В B2 используется изменяющийся каркас и мембранная оболочка на основе силикона, которая позволяет роботу изменять свою шарнирную структуру в воздухе без потери эффективной и гладкой аэродинамической поверхности.«Наши результаты управления полетом — первая демонстрация использования асимметричного складывания крыльев основных гибких крыльев для управления курсом воздушного робота», — добавил Рамезани. «Его свойство морфинга не может быть реализовано с помощью обычных тканей (таких как нейлон или майлар), которые в основном используются в исследованиях взмахов крыльев.
Нерастягивающиеся материалы противостоят движениям передних конечностей и ног в B2. В результате мы покрыли скелет нашего робота с изготовленной на заказ ультратонкой (56 микрон) мембраной на основе силикона, которая разработана с учетом эластичных свойств биологических мембран летучих мышей ».Воздушные роботы в стиле летучих мышей также значительно улучшают энергоэффективность по сравнению с существующими воздушными роботами. Это связано, по крайней мере частично, с их шарнирно-сочлененной конструкцией с мягким крылом и тем фактом, что гибкость крыла усиливает движение исполнительных механизмов робота.
«Когда летучая мышь машет крыльями, это похоже на резиновый лист», — сказал Хатчинсон, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Иллинойсе. "Он наполняется воздухом и деформируется. А затем, в конце своего движения вниз, крыло выталкивает воздух наружу, когда оно возвращается на место. Таким образом, вы получаете такое большое усиление мощности, которое исходит только от того, что вы используют гибкие мембраны внутри самого крыла ".
Одно из возможных применений B2 — надзор за строительными площадками. «Строительные проекты сложны, и они редко реализуются так, как задумано», — сказал Хатчинсон. «Отследить, правильно ли строится здание в нужное время, нетривиально. Так что летучие мыши-боты будут летать, обращать внимание и сравнивать информационную модель здания с реальным строящимся зданием».«Например, для задач, требующих, чтобы воздушные роботы были неподвижны, наши воздушные роботы в стиле летучих мышей в конечном итоге смогут садиться, а не парить, используя уникальные конструкции на строительных площадках, такие как стальные рамы, боковые стены и потолочные рамы, — сказал Чанг. «Это более энергоэффективное и надежное решение, поскольку стационарное зависание квадрокоптеров затруднено даже при слабом ветре, что является обычным для строительных площадок. Кроме того, посадка или посадка обычных самолетов и квадрокоптеров в таких необычных местах практически невозможна , из-за их ограниченных возможностей управления на малых оборотах двигателя и аэродинамических сцеплений, таких как влияние стены или земли ».
Поскольку в B2 не используются высокоскоростные роторы, которые излучают громкий высокочастотный шум, он значительно менее навязчив, чем квадрокоптеры или другие воздушные роботы.«В дополнение к строительным приложениям, мы предполагаем, что роботы с машущими крыльями будут работать в тесноте с людьми и за пределами того места, куда люди могут попасть», — отметил Чанг. Например, воздушный робот, оснащенный детектором излучения, системой 3D-камеры и датчиками температуры и влажности, может проверять что-то вроде ядерных реакторов Фукусима, где уровень радиации слишком высок для людей, или лететь в тесные пространства для ползания, такие как мины или рухнувшие здания. Такие высокоманевренные воздушные роботы с большей продолжительностью полета также будут способствовать развитию мониторинга и восстановления критически важных инфраструктур, таких как ядерные реакторы, электрические сети, мосты и границы.
«B2, безусловно, пока не может использоваться для подъема тяжелых грузов, но будущая версия Bat Bot может подтвердить преимущества полета с мягкими крыльями, такие как повышенная энергоэффективность и безопасность, для доставки пакетов с помощью дронов», — сказал он.«Наконец, этот робот может внести свой вклад в биологические исследования полета летучих мышей», — добавил Хатчинсон. «Существующие методы для биологии основаны на системах захвата движения на основе зрения, которые используют высокоскоростные датчики изображения для записи траектории суставов и конечностей во время полета летучей мыши.
Хотя эти подходы могут эффективно анализировать совместную кинематику крыльев летучей мыши в полете, они не могут помочь понять, как конкретные модели движения крыльев способствуют определенному маневру полета летучей мыши. B2 можно использовать для реконструкции маневров полета летучих мышей, применяя модели движения крыльев, наблюдаемые в полете летучей мыши, тем самым помогая нам понять роль доминирующих степеней свободы летучих мышей . "