Een klein robotachtig insect met vier vleugels vliegt meer als het echte ding

Veel insecten zijn krachtige, behendige vliegers. Een reden is dat de meeste vier vleugels hebben, waardoor ze een fijne controle hebben over hun vluchtrichting en hun oriëntatie door middel van pitch-, roll- en yaw-aanpassing.

In de afgelopen jaren hebben aerodynamici, ingenieurs en robotici geprobeerd een insectachtige vlucht te kopiëren door kleine vliegende robots te bouwen. Het belangrijkste dat ze hebben ontdekt, is hoe moeilijk dit is.

Een robot met vier vleugels (rechts) naast een ontwerp met twee vleugels en een Amerikaanse penny

Een van de kleinste vliegmachines ooit gebouwd heette RoboBee; het werd voortgestuwd door twee klappende vleugels, elk onafhankelijk aangedreven door een eigen kleine actuator. RoboBee was inderdaad alleen mogelijk dankzij de ontwikkeling van deze kleine actuatoren, die elk slechts 25 millgram wogen.

Maar er was een probleem. In theorie zouden de twee klapperende vleugels van RoboBee in staat moeten zijn om alle krachten te genereren die nodig zijn voor een gecontroleerde vlucht. In de praktijk was de machine echter niet in staat om krachten te genereren die krachtig genoeg waren om het gieren onder controle te houden, dus waggelde hij vaak ongecontroleerd.

Een beter ontwerp zou een voertuig op insectenschaal zijn geweest met vier klappende vleugels, net als echte insecten. Maar dit zou alleen mogelijk zijn geweest als de actuatoren aanzienlijk lichter waren geweest.

Voer Xiufeng Yang en vrienden van de University of Southern California in Los Angeles in. Deze jongens hebben actuatoren ontwikkeld die de helft minder wegen dan eerdere versies. Met vier daarvan bouwden ze een robot met vier klapperende vleugels, elk met een spanwijdte van slechts 33 millimeter. Het resultaat is een insectachtige vliegmachine genaamd Bee+. Het is in staat om neer te strijken, te landen, een pad te volgen en obstakels te vermijden.

De doorbraak is gebaseerd op een knap staaltje techniek. De actuatoren in de RoboBee uit 2013 waren van het type bimorphs. Dit zijn uitkragingen gemaakt van twee lagen piëzo-elektrisch materiaal gescheiden door een passieve laag. De piëzo-elektrische lagen trekken afwisselend samen, waardoor de cantilever heen en weer moet buigen. Deze beweging drijft het klapperen van een vleugel aan.

Deze actuatoren zijn eenvoudig, klein en licht, waardoor ze perfect zijn voor insectenachtige vluchten. De twee bimorfe actuatoren van de RoboBee wegen slechts 50 milligram, een aanzienlijk deel van de totale massa van 75 milligram van het apparaat.

Maar Yang en co hebben een manier gevonden om ze nog lichter te maken met behulp van een actuatorontwerp dat unimorph wordt genoemd. In plaats van twee lagen piëzo-elektrisch materiaal, gebruikt een unimorph een enkele strook bevestigd aan een passieve laag. De herhaalde samentrekking van de piëzo-elektrische laag zorgt ervoor dat de cantilever buigt. En de beweging van de punt van de cantilever drijft het klapperen van een vleugel aan.

Dit enkellaagse ontwerp maakt de actuatoren aanzienlijk lichter. Inderdaad, de vier unimorph-actuatoren wegen slechts 56 milligram, slechts een paar gram meer dan twee bimorphs. Bovendien vereenvoudigen de unimorph-actuatoren het montageproces. Het nieuwe ontwerp vermindert de complexiteit van het fabricageproces en de statistische frequentie van montagefouten aanzienlijk in vergelijking met die van de tweevleugelige robots, zeggen Yang en co.

En aangezien het totale gewicht van het voertuig 95 milligram is met vier vleugels, is de vleugelbelasting aanzienlijk minder dan bij RoboBee. Dat vermindert de krachten die op de actuators werken en verlengt hun levensduur. De voorgestelde aanpak heeft volgens het team tal van voordelen op het gebied van gewicht, afmetingen, aerodynamica, controle en fabricage.

Een tekortkoming van Bee+ (en andere insectenachtige vliegers zoals RoboBee) is dat het via een ketting moet worden aangedreven. Hierdoor kunnen Yang en co hun vliegcapaciteiten demonstreren zonder zich zorgen te maken over de afzonderlijke uitdaging van energieopslag. Anderen hebben robotinsecten aangetoond die worden aangedreven door laserstralen. Maar het vermogen aan boord is nog steeds een flinke uitdaging.

Je kunt Bee+ hier aan het werk zien .

Dat is interessant werk dat laat zien hoe vooruitgang in insectachtige robots cruciaal afhangt van technische vooruitgang.

Meer vooruitgang is inderdaad hard nodig. Bee+ is misschien geïnspireerd door insecten, maar met 95 milligram is het een kolos vergeleken met de echte wezens. Een hommel weegt bijvoorbeeld ongeveer 10 milligram en is bovendien zelfvoorzienend.

Dus ingenieurs zullen de grootte en het gewicht van hun machines met minstens een orde van grootte moeten verminderen, en dat is voordat ze het probleem van energieopslag overwegen, dat nog hardnekkiger is. Om die reden kan het enige tijd duren voordat we robots zien met echt insectachtige capaciteiten.

Referentie: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : Een vliegende robot met vier vleugels en vier vleugels van 95 mg aangedreven door gekoppelde Unimorph-aandrijvingen

zich verstoppen