Ученые вдохновились механизмом раскрытия крыльев жука-носорога для создания нового поколения микророботов
Один из самых крупных и сильных жуков в мире, жук-носорог, стал источником вдохновения для создания изящного летающего микробота. Международная команда исследователей, используя камеры замедленной съемки, изучила полёт этих созданий и спроектировала летающего робота, способного расширять и убирать свои крылья аналогичным образом.
Робот раскрывает крылья для взлёта, затем зависает и машет ими, чтобы оставаться в воздухе. Приземлившись, он убирает крылья обратно в корпус. Команда учёных пояснила, что полученные результаты могут улучшить конструкцию роботов с машущими крыльями, особенно небольших с ограниченным взлётным весом. «Птицы, летучие мыши и многие насекомые могут прижимать крылья к телу в состоянии покоя и раскрывать их для полёта. Но мы не знали, как этот процесс работает у жука», — пишут авторы. Исследование может привести к созданию машущих роботов для поисково-спасательных операций или экологического, сельскохозяйственного и военного мониторинга.
Природа уже давно является вдохновением для создания мини-роботов. В 1989 году двое учёных из Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института придумали и сконструировали несколько небольших многоногих роботов для исследования нашей планеты и Солнечной системы пределами. В этом году воплощается идея создания роботов, вдохновлённых жуками. Одна команда разработала ползающего робота MiniBug и искусственного водомера, имитирующих движения, наблюдаемые у их естественных аналогов. Эти роботы являются одними из самых маленьких, лёгких и быстрых полностью функциональных роботов на сегодняшний день.
Пчёлы вдохновили микроботов, которые летают даже с повреждёнными крыльями, а мухи вдохновили крошечные акселерометры, которые чувствуют ветер и помогают управлять полётом. Доктор Сойер Бакминстер Фуллер из Вашингтонского университета, автор последнего исследования, объяснил, почему букашки имеют смысл: «Во-первых, они настолько малы, что по своей сути безопасны рядом с людьми. Вы не получите травму, если в вас врежется робот-насекомое. Во-вторых, они настолько малы, что потребляют очень мало энергии».
Однако эти системы по-прежнему требуют электричества или двигателей для управления положением крыльев во время взлёта, полёта и посадки, что ограничивает их дальность и полезность. Новое исследование рассматривало жуков в качестве альтернативы — такой, которая не требует двигателей для растягивания и складывания крыльев.
Жук-носорог был рискованным источником вдохновения, поскольку с двумя парами крыльев — каждая со своим набором механики и использования — жука всегда было трудно изучать. «Жуки обладают одним из самых сложных механизмов среди различных видов насекомых», — пишут авторы.
Частично это происходит из-за сложной динамики между парами крыльев. Передние крылья, также называемые надкрыльями, твёрдые и похожи на панцири. Задние крылья, напротив, представляют собой тонкие, мембраноподобные структуры, которые складываются сами в себя, как оригами. Это позволяет им аккуратно размещаться между телом и надкрыльями, когда они не задействованы в полёте.
Предыдущие исследования предполагали, что задними крыльями управляют мышцы, эластичные ткани или другие элементы. Команда положила конец спору, используя высокоскоростные камеры для записи жуков во время их полёта.
Крылья жука расправляются в два этапа. Сначала жук раскрывает твёрдые надкрылья. Затем, с помощью пружинного механизма, задние крылья слегка растягиваются, используя накопленную энергию, а не мышечную. Другими словами, жук не напрягает мышцы — его задние крылья естественным образом расправляются. «Это обеспечивает зазор, необходимый для последующего взмахивающего движения», — написала команда.
Вторая фаза активирует синхронизированные взмахи обеих пар крыльев. Задние крылья раскрываются и принимают положение полёта, позволяя жуку маневрировать.
Дальше исследователи планируют продолжить работу над созданием летающих микроботов, вдохновлённых жуком-носорогом. Они намерены усовершенствовать механизм раскрытия и складывания крыльев, чтобы сделать роботов более эффективными и манёвренными. Кроме того, они будут работать над уменьшением размеров и веса микроботов, чтобы они могли выполнять более сложные задачи в различных условиях.
Кроме того, исследователи будут изучать другие виды насекомых и животных, чтобы найти новые источники вдохновения для создания инновационных роботов. Они планируют продолжать сотрудничать с другими учёными и инженерами, чтобы объединить знания и опыт в области биологии, механики, электроники и искусственного интеллекта.
В конечном итоге, цель исследователей — создать роботов, которые смогут работать в гармонии с природой и людьми, помогая решать глобальные проблемы, такие как изменение климата, потеря биоразнообразия и стихийные бедствия. Эти роботы смогут выполнять задачи, которые слишком опасны или труднодоступны для людей, и помогут лучше понять и защитить окружающую среду.