Микроробот получил метаноловый механохимический актуатор
Американские инженеры сделали небольшого шагающего робота массой 88 миллиграммов с химическим актуатором. Большую часть корпуса занимает бак с метанолом, который под действием катализатора окисляется и нагревает нить из сплава с памятью формы, отчего она сокращается и двигает передние ноги. Благодаря оригинальной конструкции этот процесс происходит циклически, поэтому робот двигает ногами в обе стороны и идет вперед. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
В робототехнике есть направление по созданию миниатюрных роботов с массой около грамма или меньше. Предполагается, что они смогут самостоятельно чинить большие и сложные установки, залезая внутрь через зазоры или технологические отверстия, или незаметно проводить разведку с помощью камеры. Но пока концептов и идей по использованию таких роботов гораздо больше, чем реальных прототипов. Прежде всего это связано с отсутствием элементной базы. К примеру, самый распространенный тип двигателей для ходячих или летающих микророботов — это пьезоэлектрические пластины, которые гнутся в нужную сторону под действием электрического поля. Эффективные и миниатюрные пьезоэлектрические актуаторы и механические передачи для них уже существуют, но преобразователи напряжения и аккумуляторы пока отстают.
Основные исследовательские группы в этой области пытаются решить эту проблему напрямую, разрабатывая более эффективные, легкие и энергоемкие компоненты. В частности, DARPA проводит закрытый конкурс, стимулирующий разработку энергетических и актуаторных компонентов для микророботов. Разработчики из Университета Южной Калифорнии под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) создали прототип микроробота, который использует механохимический актуатор и полностью лишен каких-либо электрических элементов.
Робот имеет четыре ноги: передняя пара подвижна, а задняя жестко закреплена на корпусе. Сверху расположено два крепления, на которые можно поставить небольшой груз. Большую часть корпуса составляет бак с жестким каркасом и прозрачными стенками из тонкой и легкой полиимидной пленки. В него необходимо залить метанол, который действует как расходуемое топливо.
Работа механохимического актуатора устроена следующим образом. В верхней части бака есть ряд небольших прорезей, а над этой областью расположена подвижная пластина с такими же прорезями. Она соединена с передними ногами и может двигаться вперед или назад. Сверху между выступом этой пластины и задней частью робота натянута нить, состоящая из нитинола и покрытая платиной. Особенность нитинола заключается в том, он проявляет эффект памяти формы: при низкой температуре его можно подвергнуть деформации, но при нагревании выше критической температуры он возвращается в исходную форму.
Когда прорези в баке и пластине совмещены через них проходят пары метанола и часть из них попадает на нить. Платиновый слой на ней действует как катализатор, под действием которого молекулы метанола вступают в реакцию с кислородом, выделяя теплоту. Из-за этого нить сокращается, прорези смещаются относительно друг друга и поток пара останавливается. Поскольку каталитическое окисление больше не происходит, нить охлаждается и снова растягивается, открывая доступ для метанола. Эти движения заставляют ноги робота двигаться назад или вперед и идти по поверхности.
Эксперименты показали, что робот может ходить со скоростью в десятые доли миллиметра в секунду, причем поскольку в основе его движения лежит испарение метанола, скорость сильно зависит от движения атмосферы. В статичной атмосфере она составила в среднем 0,37 миллиметра в секунду, а при небольшом движении воздуха возросла до 0,76 миллиметра в секунду. Сами по себе эти характеристики могут показаться небольшими, но их необходимо соотносить с размером робота. Исследователи отмечают, что для такого размера, который в данном случае составляет менее 20 миллиметров, это самый быстрый автономный ходячий робот, способный двигаться дольше, чем несколько секунд.
Также авторы показали, что он может двигаться и под небольшим наклоном, но в таком случае скорость резко падает: при пяти градусах скорость упала примерно на 20 процентов, при десяти она снизилась более чем в два раза, а при наклоне 15 градусов он уже не смог двигаться вперед. При таком небольшом размере у робота оказалась достаточно большая грузоподъемность: он оказался способен носить груз массой до 230 миллиграммов при собственном пустом весе 88 миллиграммов или 183 миллиграмма при полном баке.
Недавно группа инженеров из Гарвардского университета, одна из лидирующих в области субграммовых роботов, представила уменьшенную версию своего робота HAMR. У него четыре ноги, причем каждая из них управляется двумя отдельными пьезоактуаторами, позволяющими наклонять ногу в любом направлении. Его масса составляет 320 миллиграммов, но в нынешнем виде он получает питание и команды по проводу. Тем не менее его грузоподъемность позволяет в будущем установить аккумулятор и прочие компоненты, необходимые для полной автономности.
Григорий Копиев
Это позволяет тратить в пять раз меньше энергии, чем при полете
Стартап Revolute Robotics из Аризоны разработал гибридного робота, который способен как летать, так и ездить по поверхности. Он представляет собой квадрокоптер, закрепленный на кардановом подвесе внутри металлической клетки сферической формы. Она защищает дрон от повреждений при столкновении с препятствиями, а также выступает в роли опоры при движении по земле, так как благодаря подвесу может свободно вращаться вокруг дрона во всех направлениях. По замыслу разработчиков, робот будет использовать для дистанционного обследования технического состояния оборудования и охраны объектов, сообщает издание New Atlas. Идея о размещении дронов целиком внутри защитного каркаса не нова. Несмотря на дополнительный вес, такой подход позволяет защитить дрон со всех направлений от повреждений при столкновении с препятствиями. Особенно это актуально при полетах в тесных помещениях с большим количеством объектов, например, с целью инспекции состояния оборудования технических сооружений. Такой дрон, к примеру, сделала швейцарская компания Flybotix. Разработанный ею бикоптер имеет защиту в виде почти сферической сетки, полностью покрывающей беспилотник. Схожую конструкцию для защиты дрона использовали и японские инженеры. Однако у предложенного ими варианта была особенность — сферическая защитная клетка, состоящая из двух независимых полусфер, имела возможность свободно вращаться вокруг двух осей, благодаря чему соприкосновение с препятствием меньше влияло на траекторию полета. Дрон, разрабатываемый стартапом Revolute Robotics, также помещен внутрь металлической защитной сетки сферической формы, которая способна вращаться вокруг беспилотника. Но благодаря карданному подвесу, которым квадрокоптер изнутри соединен со сферической оболочкой, это вращение может происходить не по двум осям, а в любом направлении. Эту способность инженеры решили использовать — робот может не только летать, но и ездить по поверхности, используя собственную защитную оболочку в роли всенаправленного колеса. https://www.youtube.com/watch?v=YUcwM7pCZkk Перемещение по поверхности происходит с помощью воздушных винтов дрона, который может наклоняться внутри свободно вращающейся вокруг него сферической оболочки в нужном направлении, регулируя скорость и направление движения. Упругая конструкция клетки и колец подвеса сглаживает толчки и удары, выполняя роль амортизатора. Регулируя уровень тяги пропеллеров, робот способен взбираться по крутым склонам, а при встрече с препятствием, которое нельзя переехать, может просто облететь его по воздуху. При этом на полет тратится в пять раз больше энергии, поэтому передвижение по поверхности оказывается предпочтительнее. В качестве полезной нагрузки робот может нести камеры, лидары и другие сенсоры. Поэтому его можно будет использовать, например, для составления трехмерных карт объектов и обследования технического состояния оборудования и инженерных сооружений, в том числе для инспекции труб. Другим возможным применением робота, по мнению разработчиков может стать охрана территории. Впрочем, защитный каркас — не всегда наилучшее решение, ведь дополнительный вес защиты будет уменьшать время работы дрона. Поэтому инженеры компании Cleo Robotics, которые разработали дрон Dronut X1 специально для работы в помещениях, применили другой подход. Два соосных несущих винта дрона X1 находятся полностью внутри похожего на пончик корпуса, и поэтому надежно защищены от встречи со стенами и другими препятствиями.