Vašingtono universiteto mokslininkai sukūrė mažus robotus, kurie gali pakeisti jų judėjimą ore, nusileidimo metu „užfiksuodami“ į sulankstytą padėtį. Čia parodyta „timelapse“ nuotrauka, kurioje „mikroskraidyklė“ krenta išskleistoje būsenoje, todėl jis chaotiškai slenka ir vėjo skleidžiamas į išorę. Marko Stone’o/Vašingtono universiteto nuotr
Autorius Rogeris Van Scyoc
Atrodo, kad vėsią popietę Vašingtono universiteto miestelio centre ruduo kelioms trumpalaikėms akimirkoms atėjo anksti. Maži auksiniai kvadratėliai, primenantys lapus, plazdena ir nukrenta, iš pašėlusio kritimo į grakštų nusileidimą su spragtelėjimu.
Taikliai pavadinti „mikroskraidyklėmis“ ir įkvėpti „Miura-fold“ origami, šie maži robotai gali susilankstyti, kai nusileidžia iš drono. Šis „sustabdymo“ veiksmas keičia jų pasiskirstymo būdą ir ateityje gali padėti pakeisti būdą, kaip mokslininkai tiria žemės ūkį, meteorologiją, klimato kaitą ir kt.
„Gamtoje matote, kaip lapai ir sėklos išsisklaido vienu būdu“, – sakė Alleno mokyklos mokslų daktaras Kyle’as Johnsonas. studentas ir pirmasis publikacijos šia tema bendraautoris Mokslo robotika. „Tai, ką mums pavyko pasiekti, buvo struktūra, kuri iš tikrųjų gali veikti dviem skirtingais būdais.
Atviri, prietaisai chaotiškai smunka, imituodami guobos lapo nusileidimą. Sulankstytos uždarytos, jos nukrenta stabiliau, atspindėdamos, kaip klevo lapas nukrenta nuo šakos. Naudodami daugybę metodų – įmontuotą slėgio jutiklį, laikmatį arba „Bluetooth“ signalą – mokslininkai gali kontroliuoti, kada įrenginiai pereina iš atviro į uždarą, ir tai darydami manipuliuoti, kiek jie pasiskirsto ore.
Kaip jie galėjo tai pasiekti? Skaitydami tarp eilučių.
„Miura-ori origami klostė, įkvėpta lapuose randamų geometrinių raštų, leidžia sukurti struktūras, kurios gali „pritrūkti“ tarp plokščios ir labiau sulankstytos būsenos“, – sakė vienas iš vyresniųjų autorių Vikramas Iyeris, Alleno mokyklos profesorius ir bendradarbis. iniciatyvos Computing for the Environment (CS4Env) direktorius. „Kadangi norint persijungti iš vienos būsenos reikia tik energijos, mes pradėjome tai tyrinėti kaip efektyvų būdą pakeisti paviršiaus plotą ore, turėdami intuiciją, kad atidarius ar uždarius parašiutą pasikeis objekto kritimo greitis.
Šis energijos vartojimo efektyvumas yra labai svarbus norint veikti be baterijų ir sumažinti skrajučių dydį bei svorį. Mikroskraidyklės, turinčios be baterijų veikiančią pavarą ir saulės energijos surinkimo grandinę, gali pasigirti energijos taupymo funkcijomis, kurių nėra didesniuose ir sunkesniuose baterijomis maitinamuose analoguose, pavyzdžiui, dronuose. Tačiau jie yra pakankamai tvirti, kad galėtų turėti įvairių metrikų, įskaitant temperatūrą, slėgį, drėgmę ir aukštį, jutiklius. Be atmosferos sąlygų matavimo, tyrėjai teigia, kad šių prietaisų tinklas gali padėti nupiešti pasėlių augimą dirbamoje žemėje arba aptikti dujų nuotėkį netoli gyventojų centrų.
„Šis metodas atveria naują dizaino erdvę mikroskraidyklėms naudojant origami“, – sakė Shyam Gollakota, Thomas J. Cable apdovanotas Alleno mokyklos profesorius ir mokyklos mobiliojo intelekto laboratorijos direktorius, kuris taip pat buvo vienas iš vyresniųjų autorių. „Tikimės, kad šis darbas yra pirmasis žingsnis ateities vizijos link sukurti naują skrajučių ir skrydžio būdų klasę.
Mažiau nei pusę gramo sveriantys mikroskraidyklės reikalauja mažiau medžiagų ir kainuoja pigiau nei dronai. Jie taip pat suteikia galimybę eiti ten, kur žmogui per pavojinga įkelti koją.
Pavyzdžiui, Johnsonas sakė, kad mikroskraidyklės gali būti naudojamos stebint miškų gaisrus. Šiuo metu ugniagesių komandos kartais važiuoja ten, kur plinta ugnis. Mikroskraidyklės gali padėti nustatyti, kur gali kilti gaisras ir kur geriausia nuleisti naudingą vandens krovinį. Be to, komanda stengiasi, kad daugiau įrenginio komponentų būtų biologiškai skaidžių, jei jų nebūtų galima atkurti po išleidimo.
„Yra daug darbo, kad šios grandinės būtų tvaresnės“, – sakė kitas Alleno mokyklos mokslų daktaras Vicente’as Arroyosas. studentas ir pirmasis bendraautoris. „Mes galime panaudoti savo darbą su biologiškai skaidomomis medžiagomis, kad šios taptų tvaresnės.
Be tvarumo gerinimo, mokslininkai taip pat sprendė iššūkius, susijusius su paties prietaiso struktūra. Ankstyviesiems prototipams trūko anglies pluošto šaknų, kurios užtikrintų tvirtumą, reikalingą siekiant išvengti atsitiktinių perėjimų tarp būsenų.
Kurdama mikroflierius, mokslininkų komanda įkvėpimo sėmėsi iš guobų ir klevo lapų. Atviri, prietaisai chaotiškai smunka, panašiai kaip guobos lapas nukrenta nuo šakos. Kai jie „užfiksuojami“ į sulankstytą padėtį, kaip parodyta čia, jie nusileidžia stabiliau, tiesiai žemyn, kaip klevo lapas. Marko Stone’o/Vašingtono universiteto nuotr
Rinkdami klevo ir guobų lapus ne iš savo laboratorijos, tyrėjai pastebėjo, kad nors jų origami struktūros pasižymėjo bistabilumu, reikalingu keisti būsenas, jie pernelyg lengvai lankstosi ir neturėjo aptiktos lapijos matomumo. Kad įgytų tikslesnę kontrolę, jie ėmėsi dar vieno aplinkos užuominos.
„Mes dar kartą pažvelgėme į gamtą, kad origamio veidai būtų lygūs ir standūs, o anglies pluoštu pridėjome į veną panašų raštą“, – sakė Johnsonas. „Po šios modifikacijos mes nebematėme, kad daug energijos, kurią įvedame, išsisklaido per origami veidus.
Iš viso mokslininkai skaičiuoja, kad jų dizaino kūrimas užtruko apie dvejus metus. Jie pridūrė, kad dar yra kur augti, pažymėdami, kad dabartiniai mikroskraidyklės gali pereiti nuo atviros prie uždaros. Jie teigė, kad naujesni dizainai, siūlantys galimybę perjungti būsenas pirmyn ir atgal, gali pasiūlyti daugiau tikslumo ir lankstumo nustatant, kur ir kaip jie naudojami.
Bandymo metu, pavyzdžiui, nukritus iš 40 metrų aukščio, mikroskraidyklės gali išsklaidyti iki 98 metrų atstumo, pučiant lengvam vėjeliui. Tolesni patobulinimai galėtų padidinti aprėpties plotą, kad jie galėtų sekti tikslesnes trajektorijas, atsižvelgiant į kintamuosius, tokius kaip vėjas ir nepalankios sąlygos.
Susiję su jų ankstesniu darbu su kiaulpienių įkvėptais jutikliais, origami mikroskraidyklės remiasi didesniu tyrėjų tikslu sukurti biologiškai įkvėptų dalykų internetą. Kiaulpienių įkvėpti prietaisai pasižymėjo pasyviu skrydžiu, atspindinčiu būdu, kuriuo kiaulpienių sėklos sklinda per vėją, o origami mikroskraidyklės veikia kaip išbaigtos robotinės sistemos, apimančios jų formos pakeitimą, aktyvų ir abipusį belaidį perdavimą per laive esantį radiją. ir borto skaičiavimas bei jutimas, kad autonomiškai suaktyvintų formos pokyčius pasiekus tikslinį aukštį.
„Ši konstrukcija taip pat gali talpinti papildomus jutiklius ir naudingąją apkrovą dėl savo dydžio ir galios surinkimo galimybių“, – sakė Arroyosas. „Įdomu galvoti apie neišnaudotą šių įrenginių potencialą.
Kitaip tariant, ateitis greitai formuojasi.
„Origami įkvėptas gamtos“, – šypsodamasis pridūrė Johnsonas. „Šie modeliai yra visur aplink mus. Mes tiesiog turime ieškoti tinkamoje vietoje.”
Projektas buvo tarpdisciplininis visos UW komandos darbas. Straipsnio bendraautoriai taip pat buvo mokslų daktarė Amélie Ferran. mechanikos inžinerijos katedros studentas, taip pat Raul Villanueva, Dennis Yin ir Tilboon Elberier, kurie prisidėjo kaip bakalauro studijų studentai, studijuojantys elektros ir kompiuterių inžineriją, ir mechanikos inžinerijos profesoriai Alberto Aliseda ir Sawyer Fuller.
Johnsonas ir Arroyosas, įkūrę ir šiuo metu vadovaujantys švietimo ne pelno organizacijai AVELA – A Vision for Engineering Literacy & Access, ir jų komandos draugai dėjo pastangas Vašingtono valstijos K-12 mokyklose, susijusiose su tyrimu, įskaitant mokiniams, kaip susikurti savo savo dvi stabilią išskleidžiamą origami struktūrą naudodami popieriaus lapą. Peržiūrėkite susijusį demonstracinį vaizdo įrašą čia ir sužinokite daugiau apie „microflier“ projektą čia bei susijusiame UW naujienų pranešime ir „GeekWire“ istorijoje.
Paulo G. Alleno kompiuterių mokslo ir inžinerijos mokykla yra Vašingtono universiteto dalis.
