Эффект памяти формы превратили в движущую силу робота
Инженеры из Китая и Австралии создали робота с радиальной симметрией, ноги которого приводит в движение эффект памяти формы. Робот попеременно нагревает часть конечностей и за счет этого двигается вперед, рассказывают разработчики в журнале International Journal of Advanced Robotic Systems.
Поскольку использовать электромоторы для роботов не всегда удобно, исследователи разрабатывают актуаторы, работающие на других принципах. Часто в них применяется переменное давление, позволяющее сжимать или изгибать актуатор. Некоторые из них работают на эффекте памяти формы, позволяющем с помощью нагревания и охлаждения циклически менять форму актуатора. Этот эффект заключается в том, что из-за наличия термоупругой мартенситной структуры деформированный предмет из сплава с памятью формы при нагревании самопроизвольно возвращает свою исходную форму, заданную при исходной термообработке.
Группа инженеров под руководством Цзе Яна (Jie Yang) из Научно-технического университета Китая использовала такой же подход для создания многоногих роботов. Инженеры создали четыре прототипа с разным количеством ног, но все они имеют похожую конструкцию. В центре располагается пластиковый корпус, к которому прикреплены от трех до шести ног. Каждая нога состоит из полидиметилсилоксана и поливинилхлорида, внутри которых на протяжении почти всей ноги протянута тонкая проволока из никель-титанового сплава. Именно он и обеспечивает движение, поскольку сплав обладает эффектом памяти формы.
Принцип движения робота основан на том, что подключенный к ногам источник напряжения периодически нагревает часть ног и заставляет проволоки с памятью формы изгибаться. После этого они охлаждаются и снова возвращаются в исходную форму. Инженеры исследовали различные типы походок робота и конфигурации. Наиболее эффективным оказался трехногий робот, двигающийся с помощью зигзагообразной походки. Эксперименты показали, что длина его шага может достигать 75 миллиметров, что составляет примерно 0,4 от длины размера всего робота.
В будущем авторы намерены продолжить работу над роботом. К примеру, они собираются создать автономную и более мобильную версию робота, которая не будет привязана к источнику энергии.
Недавно другая группа инженеров создала крайне простого робота, в котором используется схожий принцип движения. Почти весь робот представляет собой небольшой фрагмент офисной бумаги. В определенных местах на нее нанесены дорожки из проводящего полимера, через которые пропускают электрический ток, нагревают и заставляют полимер расширяться, а всю ногу изгибаться.
Григорий Копиев
Он может сам подключаться к зарядной станции
Инженеры разработали дешевое решение для автономной подзарядки электрических мультикоптеров. Система под названием AutoCharge представляет собой зарядную станцию с коннектором, оснащенным электромагнитом. Дрон также оснащается магнитным коннектором, размещенном на конце гибкого шнура. При сближении дрона со станцией, коннекторы притягиваются друг к другу, обеспечивая надежное электрическое соединение на время зарядки батареи. Препринт статьи опубликован на сайте arxiv.org. На сегодняшний день мультикоптеры — наиболее популярный тип беспилотных летательных аппаратов. Однако при всех достоинствах, дроны, построенные по этой схеме, обладают ключевым недостатком, который заключается в относительно невысокой продолжительности полета. Для большинства существующих моделей оно не превышает получаса. Увеличение количества батарей на борту приводит к утяжелению дрона и снижению массы полезной нагрузки, которую он способен нести. Например, квадрокоптер US-1, созданный компанией Impossible Aerospace способен на одном заряде провести в воздухе целых два часа и пролететь около 75 километров, но его собственная масса при этом составляет 7,1 килограмма, а полезная нагрузка массой всего лишь 1,3 килограмма снижает время полета со 120 минут до 78. Другой подход к увеличению времени полета дрона — использовать системы автоматической замены или подзарядки батарей в формате зарядных станций, расположенных на пути беспилотника. Однако существующие на сегодняшний день решения (гнезда дронов) не универсальны, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость. Кроме того, от мультикоптера обычно требуется точная посадка на платформу, что не всегда легко реализовать на открытом воздухе. Группа инженеров под руководством Джузеппе Лоянно (Giuseppe Loianno) из Нью-Йорского университета разработала простое и дешевое решение AutoCharge для автономной подзарядки дронов любого размера. Оно представляет собой небольшую док-станцию на верхней части которой располагается электрический коннектор, совмещенный с электромагнитом. К дрону крепится гибкий шнур, один конец которого подсоединен к схеме питания батареи дрона, а на другом конце располагается коннектор с постоянным магнитом. Когда батарея беспилотника разряжается ниже порогового значения, он подлетает к зарядной станции. Свободно свисающий на конце шнура магнитный коннектор дрона оказывается в зоне действия магнитного поля электромагнита, встроенного в коннектор на док-станции, притягивается к нему и происходит их стыковка. Правильному и надежному соединению также способствуют отверстия, расположенные на коннекторе док-станции и выступающие штифты на коннекторе дрона. После успешного соединения электромагнит, встроенный в док-станцию, отключается и начинается зарядка батареи дрона. В этот момент дрон может приземлиться рядом или продолжать выполнять задачи в воздухе. После восполнения заряда батареи беспилотник может продолжать полет. Для этого он механически отсоединяет свой коннектор от зарядной станции, на которой с небольшой задержкой снова включается электромагнит, для выполнения следующей стыковки. По словам разработчиков, такая схема зарядки проста, подходит для дронов разных размеров и не требует использования сложных алгоритмов и механизмов для точной посадки, а стоимость док-станции с выполненным с помощью 3D печати корпусом не превышает 50 долларов. Длина шнура может подбираться в зависимости от задач. Например, если дрону не требуется находиться в воздухе во время зарядки, шнур может быть коротким. Это снижает массу дрона и повышает эффективность зарядки, а также почти не влияет на точность управления в полете. https://www.youtube.com/watch?v=6xYvI-qIe3M&t=11s Разработчики провели эксперимент, в ходе которого тестовый квадрокоптер действовал полностью автономно. После полетов по заданной траектории и уменьшения напряжения батареи до минимума дрон подключался к зарядной станции. Зарядив батарею, беспилотник отсоединял коннектор и вновь продолжал полет до очередного разряда. Эксперимент продолжался в течение десяти часов. В будущем инженеры планируют добавить возможность использовать систему зарядки AutoCharge без предварительного знания о местоположении зарядной станции, полагаясь лишь на бортовые камеры дрона для ее визуальной локализации. В случае если необходимо выполнять полеты дольше нескольких часов, дроны-квадрокоптеры оснащают гибридной силовой установкой. В такой схеме беспилотник использует электромоторы для вращения винтов, но энергия для них вырабатывается двигателем внутреннего сгорания. Например, в 2018 году китайские инженеры продемонстрировали полет шестироторного мультикоптера, оснащенного ДВС и аккумуляторами, в ходе которого дрон продержался в воздухе 7 часов и 17 минут.