Механизм «слепого» обнаружения препятствий комарами воспроизвели в квадрокоптере
Ученые из Великобритании и Японии объяснили механизм, позволяющий комарам обнаруживать препятствия, не используя зрение. Эксперименты показали, что, вероятно, за это отвечают механорецепторы в усиках, способные улавливать в создаваемых крыльями воздушных потоках изменения, которые вызывают находящиеся рядом предметы. Исследователи предложили использовать похожий принцип в дронах и собрали квадрокоптер, способный обнаруживать изменения в воздушных потоках вокруг себя с помощью датчиков давления. Статья опубликована в журнале Science.
Животные используют для определения препятствий вокруг множество принципиально разных способов, причем часто гораздо более сложных, чем зрение. Например, широко известен способ навигации, используемый летучими мышами: они испускают ультразвуковые сигналы и регистрируют их отражения от предметов. Это обеспечивает летучим мышам возможность не зависеть от освещения и летать в полной темноте, в отличие от многих других видов.
Исследования показывают, что комары тоже способны избегать препятствий без использования визуальных стимулов, но только на расстоянии нескольких сантиметров. Группа ученых под руководством Ричарда Бомфри (Richard Bomphrey) из Королевского ветеринарного колледжа в Лондоне предположила, что ограничение на расстояние объясняется механизмом, основанным на обнаружении искажения воздушных потоков вблизи объектов.
Для того, чтобы разобраться в распределении потоков воздуха от крыльев и тем, как близлежащие объекты искажают их, исследователи создали модель комара и с помощью гидродинамической симуляции получили данные о поведении потоков на разных расстояниях от плоской поверхности. Построив карты распределения давления вокруг комара они увидели, что под грудной частью комара находится большая зона с максимальным давлением. Но помимо нее они обнаружили вторую зону с максимальным давлением, расположенную над головой в том числе в зоне расположения усиков.
В усиках комаров расположен Джонстонов орган с механорецепторами, способный определять отклонения потоков воздуха. Более ранние исследования показывают, что у этого органа у комаров есть два пика чувствительности: на уровне 280 герц и второй, более широкий, в диапазоне примерно от 600 до 800 герц. Эти пики соответствуют частоте взмахов крыльев самок и самцов, соответственно. Первый пик обычно объясняется тем, что он помогает самцам обнаруживать самок. Исходя из данных моделирования авторы новой статьи предположили, что второй пик объясняется тем, что он позволяет комарам-самцам отслеживать прежде всего не других самцов, а возмущения в потоках воздуха от собственных взмахов крыльев, вызванных приближением к какой-либо плоскости.
Исследователи предложили использовать этот принцип в дронах, для которых даже небольшое столкновение с препятствием, например, деревом, обычно заканчивается падением и повреждениями. За основу они взяли открытый квадрокоптер Crazyflie 2.0, а на него установили плату с дифференциальными датчиками давления, определяющими разницу давлений между двумя источниками, и подключенные к ним трубки.
Всего в дроне установлено пять датчиков: два определяют разницу давлений вдоль и поперек корпуса, еще два по диагоналям, а последний рассчитывает разницу между верхней и нижней зоной.
Определив распределение потоков вокруг дрона при приближении к плоскостям на разное расстояние, исследователи установили для каждого датчика пороговые показатели, при которых полетный контроллер получает данные о препятствии и начинает уклоняться от него. Эксперименты с полетами исследователи показали на видео.
В прошлом году американские инженеры создали летающего робота-колибри, который тоже способен отслеживать препятствия по возмущениям воздушных потоков, но используя другой метод. Для этого он отслеживает потребление тока двигателями и таким образом обнаруживает подъемную силу, возникающую из-за экранного эффекта.
Григорий Копиев
Он может ходить и менять форму
Инженеры из Швейцарии разработали модульного робота Mori3, состоящего из отдельных самостоятельных базовых элементов. Каждый из них имеет треугольную форму, может самостоятельно передвигаться и соединяться с другими элементами, образуя трехмерную конструкцию, которая способна изменять свою пространственную конфигурацию наподобие оригами. Чтобы продемонстрировать возможности Mori3, разработчики собрали из нескольких базовых элементов манипулятор, подвижную гусеницу и четырехногого робота. Статья опубликована в журнале Nature machine intelligence. Несмотря на то, что сконструированные для выполнения конкретных задач роботы выполняют работу более эффективно, иногда универсальность оказывается предпочтительнее специализации. Например, на борту космического корабля из-за ограничений на объем и массу полезной нагрузки, доставляемой с Земли, гораздо практичнее использовать одного универсального робота, способного выполнять множество задач, чем множество специализированных устройств. Один из подходов к созданию таких роботов состоит в модульности, когда несколько независимых элементов объединяют в одну конструкцию, которую можно реконфигурировать в зависимости от задачи. Например, в 2019 году группа инженеров под руководством Джейми Пайк (Jamie Paik) из Федеральной политехнической школы Лозанны продемонстрировала простого модульного робота, состоящего из одинаковых независимых прямоугольных элементов. Три соединенных вместе элемента образуют небольшого треугольного робота, способного ползать по поверхности, подпрыгивать, а также участвовать в совместных действиях с другими такими же роботами. В своей новой работе эта же группа инженеров продолжила развитие концепции модульности. Они разработали модульную систему Mori3, в основе которой лежат базовые элементы, играющие роль физических полигонов, из которых по аналогии с полигонами в компьютерной графике можно строить трехмерные объекты. Базовый полигон представляет собой треугольник и состоит из трех сторон, которые могут сокращаться или увеличивать длину с помощью электромоторов примерно на 7,5 процентов, за счет чего также изменяются углы между сторонами базового элемента и форма треугольника. Каждая сторона элемента оснащена механизмом стыковки, который позволяет ему автоматически соединяться с другими полигонами механически и электрически. При этом каждый треугольник способен передвигаться самостоятельно по плоской поверхности и менять направление движения с помощью тех же актуаторов, которые отвечают за изменение угла между двумя состыкованными элементами. Кроме этого каждый из них оснащен собственным элементом питания и платой управления, расположенной на пружинном подвесе в центре модуля. Всего инженеры построили 14 базовых роботреугольников из которых собрали несколько конструкций, чтобы продемонстрировать возможности системы. Например, одна из конструкций показывает возможность интерактивного управления конфигурацией модульного робота с помощью руки оператора, положение которой отслеживается сенсором. В зависимости от расстояния между рукой и датчиком робот, состоящий из шести элементов, переходит из плоской формы в колокообразную. Несмотря на то, что каждый отдельный модуль может самостоятельно передвигаться, происходит это довольно медленно и только на плоской поверхности. Однако, разработчики продемонстрировали, что из 10 модулей Mori3 можно собрать подобие транспортной ленты, способной катиться по поверхности, или четырехногого робота, который может передвигается переставляя последовательно четыре опоры. При этом робот может самостоятельно складываться в нужную конфигурацию из плоской формы, изменяя углы между отдельными модулями наподобие оригами. Кроме этого разработчики использовали несколько соединенных вместе модулей в качестве простейшего манипулятора, с помощью которого можно двигать предметы. https://www.youtube.com/watch?v=CD5Cj7RhxY0 Ранее мы рассказывали об исследовании взаимодействия в рое из 300 роботов, в котором инженерам удалось воспроизвести самопроизвольный реакционно-диффузионный механизм Тьюринга.