Біонічна кажан підкорює повітря: Відео. BionicFlyingFox – літаючий робот з унікальними характеристиками Які характеристики має літаючий робот
Розробкою біонатхнених пристроїв (роботизовані мурахи, метелики, птахи) зараз займаються кілька великих компаній, до них входить і німецька фірма Festo, основна сфера діяльності якої - промислова автоматизація.
Останнім досягненням німецьких інженерів у цьому напрямі став керований робот BionicFlyingFox. На відміну від інших моделей, він повторює будову тіла лисиці-крилану – найбільшого підвиду кажанів. За словами розробників, апарат відноситься до розряду «надлегких літаючих пристроїв з інтелектуальною кінематикою», що наділяє його недосяжними можливостями.
Які характеристики має літаючий робот?
Представники компанії відкрили завісу таємниці, опублікувавши основні параметри новинки:
- розмах крил – 228 см;
- довжина – 87 см;
- вага – 580 грам.
Щоб кажан вийшов настільки легким, мембрана крила зроблена з тонкої плетеної тканини, яка з обох боків покрита двома шарами повітронепроникної плівки.
Особливості конструкції робота-кажана
Крім матеріалу мембрани, варто звернути увагу на саме крило: воно складається із двох взаємопов'язаних площин. Кожна площина має власні двигуни та контур керування. Рушійною силою є головний електродвигун постійного струму. Забезпечення енергією головного двигуна та допоміжних двигунів реалізовано за допомогою вбудованого джерела живлення, що наділяє агрегат повною автономністю.
Управління реалізовано за допомогою наземної керуючої станції, яка через вбудовані камери здатна стежити за діями агрегату у повітрі. Для того, щоб спростити процес експлуатації, розробники впровадили систему штучного інтелекту та самонавчання. Така функція дозволяє покращувати техніку виконання повітряних маневрів. У перспективі ця техніка буде доведена до досконалості, і роботизовані тварини за своїми можливостями вже нічим не поступатимуться живим прототипам.
Нещодавно ми розповідали про таке диво техніки як дрон пристосований для очищення від криги гвинтів вітряків, що виробляють електрику. Махіна з 36 пропелерами здатна піднімати до 200 кг вантажу та виконувати складну роботу з легкістю акробату на великій висоті.
Ось як це відбувається:
Але цей літальний апарат має одну серйозну ваду, відключи електрику, і він впаде каменем вниз. Що робити для того, щоб цього не відбувалося? На це запитання відповідають вчені, програмісти та інженери, які зробили штучний, точно повторюючи обриси і моторику справжньої кажанів.
Хто як не природа знає, як найкраще пристосовуватися до довкілля? Мільйони років еволюції не пройшли даремно. Взяти приміром ту ж кажан. Це рукокриле виробництво набагато раніше компанії Тесла стала використовувати радари для визначення перешкод, вона чудово бачить у темряві, у сотні разів краще, ніж найнавороченіші сучасні автомобілі, це було доведено недавнім трагічним випадком, що стався з автомобілем Volvo обладнаним автопілотом від Uber. Машина збила людину, а кажан немає.
Ці цікаві створіння також можуть літати в замкнутих просторах, швидко маневрувати та спати догори дригом.
І чому людям не спробувати скопіювати те, що вже було зроблено природою? Адже все вже готове.
З технічної точки зору для сучасної інженерії у виробництві біонічного літального апарату немає особливо складного. Офіційно названий робот "Bionic Flying Fox" був побудований навколо легко, практично невагомої рами, рамки обтягнуті унікальною мембраною для крил з 40 тис. точок кріплення, які роблять штучну "шкіру" легкою та одночасно міцною. У пластикове тільце вставлені акумулятори, шестерний привід та електронні «мозки», яке має аналог машинного навчання та здатне віддавати команди для польоту в напівавтономному режимі.
Малоймовірно, що саме цей робот коли-небудь побачить світ у плані комерційного використання, але це зараз. За допомогою лише кількох простих матеріалів можна побудувати складний літальний апарат, який успішно імітує граційні рухи живої істоти.
Однією з найскладніших завдань, із якими стикаються розробники автономних роботів, є оперативне складання карти незнайомої місцевості під час першого проходження нею. Але з подібним завданням легко справляються, наприклад, кажани, використовуючи ехолокацію або орієнтування в просторі за допомогою звуків.
Ехолокація в природі - одна з найбільш вражаючих, заснована на відображенні звукових хвиль та їх сприйнятті живими організмами. Її використовують, землерийки, нічні метелики совки, деякі ластоногі і навіть птахи. Завдяки цим здібностям тварини з легкістю орієнтуються там, де мало або зовсім немає сонячного світла.
Тепер завдяки зусиллям команди ізраїльських інженерів з Тель-Авівського університету, яка працює на чолі з Ітамаром Еліакімом (Itamar Eliakim), ехолокація допомагає підкорювати незвідані простори та нову автономну роботу. За основу ними було взято принцип, який використовують у навігації кажани. Назву пристрій отримав відповідне - Robat.
Кажани посилають ультразвуковий сигнал, нечутний для людського вуха, і вловлюють відбиту від перешкод луну. При цьому вони завжди точно знають, де гілка, де комаха, де глуха стіна. Попередні спроби використовувати ехолокацію у робототехніці зводилися до встановлення сонарів – технічних пристроїв, які допомагають виявляти різні об'єкти під водою. Навігаційне обладнання Robat відрізняється від колишніх технологічних рішень і наслідує біологічні особливості саме рукокрилих.
Новий робот оснащений ультразвуковим динаміком, який видає сигнали в тому ж частотному діапазоні, що і кажани (приблизно від 20 до 120 кГц). Крім того, пристрій має два ультразвукові мікрофони, що імітують вуха тварин. Робот переміщається по незнайомому йому середовищі, використовуючи при цьому лише відбитий звуковий сигнал.
Він визначає межі об'єктів, які зустрічаються на шляху та класифікує їх за допомогою . У результаті "мозку" машини формується докладна карта навколишнього середовища. Наприклад, в ході одного з тестів, робот успішно визначав, чи була на його шляху непрохідна стіна чи рослина, якою він міг пройти.
Детальний опис перспективного винаходу був опублікований авторами у виданні PLOS Computational Biology.
До речі, Robat - це не перший пристрій, натхненний здібностями кажанів. Раніше автори проекту "Вести.Наука" (nauka.сайт) вже писали і про представлені іншими командами та . Щоправда, ехолокацією ці пристрої похвалитися не могли.
Вміння кажанів літати в практично непроглядній темряві, виконуючи найскладніші маневри, дивувало і спантеличувало вчених сотні років. Лише відносно недавно фахівці з'ясували, завдяки чому кажан може орієнтуватися у просторі без допомоги органів зору. Проте, захоплюють фахівців як навігаційні здібності цих тварин, а й їх майстерність польоту.
Літає миша тихо, швидко, вміє практично миттєво змінювати напрямок руху. Якби щось подібне вдалося створити людині, науці та техніці це дало б багато чого. Інженери та вчені довгий час вивчають механіку польоту цих тварин, намагаючись відтворити механізм польоту миші. Декому це вдається.
Днями вчені з Caltech представили свого робота Bat Bot (B2), оснащеного м'якими складовими крилами з перетинками між остовом. Партнерами Caltech у проекті виступила команда фахівців з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні. "Конструкція цього робота допоможе нам створювати більш ефективні та безпечні дрони, також він допоміг нам допомогти з'ясувати, як летять кажани", - заявив Сун Джо Чунг (Soon-Jo Chung), один із учасників проекту.
Чунг, який приєднався до команди Caltech, розробив летючу мишу разом з його екс-науковим керівником Аліреза Рамезані (Alireza Ramezani) і Сетом Хатчінсоном (Seth Hutchinson), професором з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні.
Вага робота складає всього 93 грами. Зовні він нагадує кажан, за образом і подобою якого і був спроектований. Розмах крил – лише 30 сантиметрів. Система в процесі польоту може змінювати форму крил за рахунок складання або розгортання «пальців», зміни форми та положення зап'ясть, ніг та плечей. Фахівці вважають, що кажан - одне з найбільш (якщо не саме) складно організованих тварин, здатних літати. Крила кажана можуть змінювати обриси, причому механізм польоту включає задіяння кількох типів суглобів, здатних фіксувати кістки і м'язи чи, навпаки, збільшувати кількість свобод складових крило кісток.
Принцип польоту рукокрилих значно відрізняється від принципу польоту птахів Головна особливість полягає у гнучкості та податливості крила рукокрилих. Сильний вигин крила під час його ходу вниз дає набагато більшу підйомну силу та скорочує витрати енергії, якщо порівнювати рукокрилих із птахами. При польоті під час руху крила вниз біля його передньої кромки утворюється завихрення повітря, яке, за словами вчених, забезпечує до 40% підйомної сили крила. Потік повітря починається біля передньої кромки крила, потім обходить його і знову повертається під час зворотного руху крила вгору. Все це стало можливим за рахунок гнучкості крила, оскільки вигин його дозволяє тримати завихрення поблизу поверхні крила.
Щоб робот міг літати, розробники створили складну апаратно-програмну систему. Дані про довкілля, збирані дроном у процесі польоту, обробляються як реального часу. Контролююче ПЗ отримує ці дані та координує роботу дрону. Все це працює в автономному режимі без участі оператора
Скелетно-м'язова система крил кажана може здійснювати понад 40 рухів у різних напрямках. «Результат нашої роботи – один із найбільш досконалих на даний момент дизайн крил робота з морфологією кажана, причому цей робот може летіти в автономному режимі», – заявив Рамезані. Звичайно, цьому роботі ще досить далеко до реальної кажана, яка прямо в повітрі може наздогнати комаху, облетіти навколо неї, схопити та з'їсти. Така маневреність - справа майбутнього, хоч і досить близького.
Крила робота можуть змінювати форму подібно до того, як це роблять власники «прототипів». Зробити крило подібного типу досить складно, для цього необхідно добре розумітися на анатомічних особливостях будови скелетно-м'язового апарату кажанів. Як альтернативний шкірі матеріалу інженери створили плівку з товщиною всього 56 мікрон, основою якої є силікон. Цей матеріал може розтягуватися і стискатися, майже так само добре, як і шкіра, що обтягує крила кажанів.
За словами розробників, літаючі роботи-кажани можуть бути набагато більш енергоефективними, ніж звичайні літальні апарати. Роботи такого типу можна буде використовувати як альтернативу дронам. Причому, на відміну більшості дронов, штучні кажани зможуть швидше змінювати напрям польоту. Плюс до всього, вони не будуть такими небезпечними для людини (в плані нанесення травм), як ті ж коптери.
Тваринний світ сповнений ідей, які на всю і успішно використовують фахівці з галузі робототехніки. Яскравими прикладами цього є роботи SALTO, Robirds, MuddyBot, WildCat, Octobot та безліч інших незвичайних робототехнічних пристроїв. І нещодавно цей ряд поповнився ще одним членом, роботом-кажаном Bat Bot, створеним фахівцями з Каліфорнійського технологічного інституту та університету Іллінойсу. М'які крила цього робота є безпечнішою альтернативою, як самого робота, так навколишнього середовища в порівнянні з жорсткими лопатями квадрокоптерів та інших літальних апаратів. І, по-друге, робот Bat Bot має всі чудові можливості в польоті, як і його живий "прототип".
По силуетам, що швидко миготять на тлі темного неба, неможливо розглянути, що кажани використовують досить складну скелетно-м'язову систему, яка дозволяє їм витворяти всі елементи їх "повітряної акробатики". Завдяки наявності високорухливих суглобів у плечовому та ліктьовому суглобах, миша може динамічно змінювати форму своїх крил. Крило кажана здатне приймати одну з 40 відомих форм, кожна з яких має свої аеродинамічні характеристики, завдяки чому ця тварина здатна різко повертати в повітрі, здійснювати круті кидки вгору або вниз.
Робот Bat Bot, вага якого складає 93 грами при розмаху крил 0.3 метра, повністю копіює навіть найдрібніші особливості польоту кажанів. Керують польотом робота складні алгоритми, що працюють у крихітному бортовому комп'ютері робота, який за допомогою цілого набору датчиків дозволяє роботу літати повністю самостійно.
Створюючи робота Bat Bot, дослідники зіштовхнулися із проблемою недостатньої міцності крила. Механізм крила повинен бути легким і одночасно міцним, гнучким і рухливим для того, щоб дозволити дуже швидко змінювати форму крила під час виконання піруетів у повітрі. Але дослідникам вдалося досягти бажаного результату, що, у свою чергу, навіть дозволило збільшити ефективність польоту робота порівняно з живою кажаном. Під час польоту найтонша мембрана крила формує свого роду кишеню, в яку потрапляє "порція" повітря, а потім інтенсивним рухом це повітря виштовхується крилом у потрібному напрямку, забезпечуючи більш високу підйомну силу. Як найпридатніший матеріал для мембрани крил після серії експериментів була обрана найтонша плівка з еластичної силіконової гуми, товщина якої складає всього 54 мікрони.
Робот Bat Bot, що має високу маневреність, здатний проникати в такі місця, куди не зможуть проникнути інші малі літальні апарати, що мають жорстку конструкцію і жорсткі лопаті їх пропелерів. Крім цього, використання економічного методу повітряної кишені дозволить роботу Bat Bot залишатися набагато довше за інші літальні апарати, що мають акумуляторну батарею порівнянної ємності. Все вищесказане робить робота Bat Bot ідеальним варіантом для його використання в ситуаціях, коли гострі грані лопатей інших апаратів можуть поранити людей, які потрапили в пастку при стихійних лихах, наприклад, або пошкодити якесь тендітне та цінне обладнання.
