Односторонние пьезоактуаторы облегчили робопчелу

Американские инженеры разработали четырехкрылый орнитоптер массой менее ста миллиграммов. Использование четырех крыльев позволяет робопчеле управлять своим полетом относительно трех осей, а применение в роботе нового пьезоэлектрического актуатора упрощает создание робота по сравнению с аналогичными разработками, рассказывают авторы статьи, опубликованной на arXiv.org.

Помимо классических больших роботов, таких как знаменитые четвероногие роботы Boston Dynamics, инженеры из разных университетов создают и крайне миниатюрных роботов, весящих около грамма или даже меньше. К примеру, в прошлом году инженеры из Гарвардского университета показали четвероногого робота массой около полутора граммов, способного ходить даже по потолку, а Rolls Royce предлагает использовать таких роботов для осмотра и ремонта авиационных двигателей.

Подобные разработки ведутся и в области летающих роботов, однако это гораздо более сложная задача, потому что она накладывает большие ограничения на массу робота. В абсолютном большинстве миниатюрных летающих роботов используется конструкция орнитоптера, в которой подъемная сила создается благодаря периодическим движениям крыльев. Поскольку использовать электродвигатели в роботе с массой порядка ста миллиграммов практически невозможно, для приведения крыльев в движение в них применяются пьезоэлектрические актуаторы, которые отклоняются под действием тока и через механическую передачу заставляют крыло двигаться. В целом эта конструкция доказала свою работоспособность, но она имеет недостатки. Во-первых, в большинстве таких роботов используется два крыла, что не дает управлять рысканием, а во-вторых, в них применяются достаточно сложные в производстве двусторонние пьезоэлектрические актуаторы.

Инженеры из Университета Южной Калифорнии под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) создали робота массой 95 миллиграммов, использующего четыре крыла и более простые односторонние пьезоэлектрические актуаторы. Отличие этих актуаторов заключается в том, что они состоят из слоя материала, проявляющего пьезоэлектрический эффект, и пассивного слоя, а не двух пьезоэлектрических слоев, разделенных пассивным, как в других разработках. При приложении напряжения пьезоэлектрический слой сокращается и это заставляет актуатор изгибаться. Благодаря механической связи актуатора и крыла изгиб превращается в движение крыла.

Помимо более простой технологии создания, новые актуаторы также дают роботу преимущество в массе. Две пары сдвоенных актуаторов, использованных в работе, имеют массу 56 миллиграммов. Масса двух актуаторов похожей робопчелы, созданной в Гарвардском университете, составляет 50 миллиграммов, а у представленного недавно четырехкрылого робота масса всех четырех актуаторов составляет 100 миллиграммов.

Применение конструкции с четырьмя крыльями позволяет управлять не только креном и тангажом, но и рысканием. Для этого робот симметрично меняет соотношение амплитуд движений соседних крыльев:

Один из недостатков робота заключается в том, что он получает питание и команды по кабелю. В прошлом году инженеры из Вашингтонского университета решили эту проблему, создав похожего миниатюрного двухкрылого робота, получающего энергию с помощью солнечной панели, освещаемой лазерным лучом.

Григорий Копиев