Инженеры создали актуатор из попкорна
Американские инженеры предложили использовать расширение зерен кукурузы в качестве движущей силы для роботов, сообщает IEEE Spectrum. Они создали несколько работающих прототипов, в которых нагреваемые зерна расширяются и заставляют актуатор изгибаться. Один из актуаторов, содержащий 36 зерен, смог поднять груз массой 100 граммов, рассказывают авторы в статье, представленной на конференции ICRA 2018.
Поскольку использовать в конструкции робота электромоторы не всегда удобно, инженеры и ученые также занимаются разработкой искусственных мышц. Они сокращаются или расширяются под действием электрического тока, давления и даже солнечного света. Несмотря на то, что их зачастую нецелесообразно использовать на практике напрямую, они могут быть использованы другими исследователями для разработки более совершенных актуаторов.
Группа исследователей из Корнелльского университета под руководством Кирстин Петерсен (Kirstin Petersen) предложила использовать в качестве основы актуаторов доступный материал — попкорн. Во время нагревания вода в зернах кукурузы превращается в пар, а крахмал размягчается, но прочная оболочка зерна сдерживает внутреннее давление. При примерно двухстах градусах Цельсия давление внутри зерна становится критическим, оболочка разрывается и пар вместе с крахмалом резко расширяются, после чего крахмал снова быстро остывает и формирует объемную матрицу гораздо большего объема, чем изначальное зерно.
Инженеры изучили три типа зерен кукурузы и выбрали из них один с самым большим коэффициентом расширения — 9,7 ± 4,8. Кроме того, авторы изучили четыре способа нагревания и их влияние на характеристики расширения: нагревание горячим воздухом или маслом, микроволнами и металлической проволокой. На основе трех этих способов инженеры сделали работающие прототипы актуаторов.
Два из них используют в качестве нагревателя кукурузы металлическую проволоку, обмотанную вокруг зерен. При нагревании зерна расширяются и заставляют всю конструкцию расширяться и изгибаться. Один из таких актуаторов показал довольно высокие характеристики и смог поднять груз массой 36 граммов. Кроме того, разработчики создали складную оригами-конструкцию из бумаги, между складками которой располагаются зерна. При нагревании в микроволновой печи они также взрываются и значительно увеличивают объем конструкции. Наконец, инженеры создали механический захват, между двумя верхними панелями которого насыпана кукуруза. При нагревании промышленным феном она расширяется, а верхняя пластина тянет за тросы, заставляющие захват сжиматься:
Ранее исследователи уже применяли необычные материалы при создании актуаторов. Например, тайваньские разработчики использовали для этого эпидермис лука, а инженеры из MIT превратили в актуатор рыболовную леску.
Григорий Копиев
Гексакоптер оснащен двумя взлетно-посадочными платформами для квадрокоптеров
Инженеры из Сколтеха разработали гибридный гексакоптер MorphoLander, который выступает в роли передвижного аэродрома для дронов меньшего размера. MorphoLander не только летает, но и может ходить по неровной поверхности при помощи четырех ног. В верхней части корпуса расположены две взлетно-посадочные платформы для микродонов. Дрон может пригодиться для инспекции объектов и поиска пострадавших во время стихийных бедствий, говорится в препринте на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дроны отлично подходят для выполнения задач поиска, инспекции и мониторинга, но потребляют много энергии и не могут долго находиться в полете. Одним из способов преодолеть это ограничение стала разработка дронов гибридной конструкции, которые могут не только летать, но и передвигаться по земле, например, с помощью колес или ног. Несмотря на то, что такой подход позволяет продлить время работы за счет менее энергозатратного способа передвижения по поверхности, продолжительность полета гибрида и его эффективность часто снижается из-за дополнительного веса. Инженеры под руководством Дмитрия Тетерюкова (Dzmitry Tsetserukou) из Сколтеха предложили использовать громоздкий дрон в качестве носителя для дронов поменьше. Тогда большой дрон выступает в роли передвижного «улья», который в нужный момент выпускает рой маленьких дронов, способных более эффективно выполнить задачу на большой территории за счет совместной работы. Разработанный прототип под названием MorphoLander представляет собой гексакоптер с четырьмя ногами, каждая из которых имеет три степени свободы. С их помощью дрон может передвигаться по неровной поверхности. Масса гибрида немного больше 10 килограмм. Встроенного аккумулятора хватает на 12 минут полета. Сверху на корпусе закреплены две посадочные платформы диаметром 20 сантиметров, на которые могут садиться микродроны. Чтобы микродронам (инженеры использовали Crazyflie 2.1 массой 27 грамм) было проще садиться на MorphoLander, материнский дрон с помощью алгоритма стабилизации старается удерживать горизонтальное положение платформ, подстраивая высоту ног под неровности поверхности. Посадка микродронов происходит под управлением алгоритма машинного обучения, его обучение с подкреплением проходило в симуляторе на платформе игрового движка Unity, который позволяет имитировать физику, с использованием пакета машинного обучения Unity ML Agents. Обученный алгоритм посадки затем испытали в трех сценариях с участием реальных дронов. В первом два микродрона должны были взлетать с расстояния полутора метров от MorphoLander и затем садиться на его платформы. Среднее значение отклонения от центра платформы в этом сценарии составило всего около 5,5 миллиметра. Во втором сценарии микродроны должны были садиться на материнский дрон, стоящий на неровной поверхности. В этом случае ошибка возросла и составила 25 миллиметров. Третий сценарий имитировал реальное применение: микродроны взлетали с платформ, в то время как MorphoLander отходил от места взлета на некоторое расстояние, после чего микродроны должны были сесть обратно. Среднее значение отклонения от центра 20-сантиметровой платформы составило 35 миллиметров. В будущем инженеры планируют увеличить точность и устойчивость алгоритма управления микродронами за счет контроля тяги отдельных винтов. https://www.youtube.com/watch?v=fV8_Ejy81s8&t=1s Совместная работа помогает роботам справляться с более трудными задачами. К примеру японские инженеры разработали систему из работающих в паре дрона и наземного робота. Они соединены друг с другом тросом, что позволяет наземного дрону взбираться на более крутые подъемы. Для этого дрон закрепляет трос на вершине, после чего наземный робот натягивает его с помощью лебедки и поднимается наверх.
