Из микропирамидок сделали чувствительные и прочные датчики давления
Инженеры сделали датчики давления в виде набора пирамидок из углеродных нанотрубок: они работают в широком диапазоне давлений — от нескольких граммов до нескольких килограммов. Внутри интервала нагрузок измерения проводились с точностью до десятых долей грамма, кроме того, устройство показало высокую механическую надежность. Статья опубликована в ASC Nano.
За восприятие человеком твердых предметов отвечают несколько систем, в том числе — медленно адаптирующиеся механорецепторы первого типа. В первую очередь они нужны для восприятия статических и небольших давлений. При разработке протезов или человекоподобных роботов важно воспроизвести функции этих рецепторов при помощи электронных устройств, особенно для того, чтобы дать возможность манипулятору уверенно держать предмет.
В последние годы инженеры предложили множество вариантов конструкции искусственных сенсоров, от надувных подушечек Toyota до переплетенных сеточек металла и пластика, которые производятся при помощи объемной микролитографии. В целом, у рецепторов есть множество характеристик, среди которых скорость реакции, пространственное разрешение, чувствительность в разных диапазонах сил, энергопотребление и другие. Кроме того, при превышении допустимой нагрузки датчик просто может сломаться. Для каждой задачи инженеры стремятся подобрать оптимальный баланс свойств.
Группа ученых под руководством Чао Ма (Chao Ma) из Калифорнийского университета сконструировала датчик давления в виде набора проводящих микропирамидок, который сохраняет высокую чувствительность и скорость работы в большом диапазоне нагрузок. Пленку с десятимикронными пирамидками из смеси силиконовой смолы с углеродными нанотрубками наклеили на резиновую основу со встроенными электродами.
Чем больше деформируются пирамидки от нажатия, тем сильнее возрастает их электрическое сопротивление. Электроды резиновой основы фиксируют это и передают данные в компьютер, который на основе карты сопротивлений реконструирует породившее его давление. Измерение сопротивления — один из основных принципов работы датчиков давления, но именно использование гомогенных пирамидок, по словам инженеров, позволило добиться выдающихся результатов.
В итоге датчик работает в диапазоне давлений от нескольких грамм-сил на квадратный сантиметр до килограмма, с минимальным шагом измерения в десятые доли грамма и временем реакции в 50 миллисекунд. В эксперименте ученый нажимал на сенсор с разной силой, и яркость сигнальной лампочки плавно менялась с незримым глазу интервалом.
Помимо этого, устройство оказалось прочным и надежным, поскольку сохранило работоспособность после временного увеличения давления до 10 килограмм-сил на квадратный сантиметр — с таким будет давить атлет-тяжеловес, если встанет на носок одной ноги. Пространственное разрешение образца — один квадратный сантиметр, но в будущем его можно будет сильно увеличить за счет добавления дополнительных электродов.
Микродатчики — одно из наиболее перспективных направлений современной электроники. Они бывают даже растворимыми, а некоторые пробуют встраивать их в свитер.
Василий Зайцев
Это помогло увеличить время полета
Инженеры из компании Elythor разработали квадрокоптер-конвертоплан, оснащенный четырьмя поворачиваемыми крыльями. Они могут независимо друг от друга складываться вдоль корпуса или отклоняться на 90 градусов, превращая дрон в биплан. Бортовая электроника дрона отслеживает положение корпуса, а также скорость и направление ветра, в реальном времени подстраивая положения крыльев под эти условия. Благодаря этому удается повысить стабильность полета и снизить энергопотребление. Описание квадрокоптера приведено в диссертации разработчика. Инженеры давно разрабатывают дроны с гибридной конструкцией, которые совмещают преимущества мультикоптеров, способных вертикально взлетать и садиться, с возможностью полета на дальние дистанции, которой обладают дроны самолетного типа. Обычно у гибридов есть крылья и поворотные винты, которые разворачиваются в нужном направлении в зависимости от режима полета. В другом варианте используется две группы винтов, одна из которых работает только в режиме висения Несмотря на универсальность гибридных дронов, они имеют и недостатки. Из-за больших габаритов в мультикоптерном режиме у них низкая маневренность и высокая парусность по сравнению с дронами без крыльев. Поэтому их сложно использовать в ограниченном пространстве, а вне помещений в режиме висения гибриды тратят больше энергии на борьбу с ветром, что снижает продолжительность полета. Выход из этой ситуации предложили инженеры из стартапа Elythor, созданного сотрудниками Федеральной политехнической школы Лозанны. Они разработали квадрокоптер Morpho, со складными крыльями, которые автоматически адаптируются к ветру и режиму полета. Всего у дрона массой 3,8 килограмма четыре подвижных крыла, по два с каждой стороны фюзеляжа. Сервомоторы могут независимо отклонять каждое из крыльев на 90 градусов. Четыре винта дрона расположены как и у обычного квадрокоптера на концах крестообразной рамы и вращаются 500-ваттными электромоторами. Заряда аккумуляторов прототипа хватает на 17 минут полета. Садится дрон на хвост, а в качестве опор могут использоваться отклоненные назад крылья. В полностью сложенном состоянии крылья расположены вдоль фюзеляжа дрона. При переходе к горизонтальному полету они поворачиваются перпендикулярно корпусу, превращая дрон в биплан. Бортовая электроника отслеживает положение дрона в пространстве, определяет направление и скорость ветра, воздействующего на корпус, и исходя из этого подстраивает углы отклонения крыльев. Так, например, в режиме висения, когда требуется сохранять стабильность полета, крылья остаются сложенными вдоль корпуса, чтобы снизить парусность дрона. Однако, если необходимо совершить поворот вокруг вертикальной оси алгоритм с помощью сервомоторов отклоняет то или иное крыло в нужный момент, используя их в качестве парусов. Таким образом ветер помогает дрону совершать необходимые маневры, снижая нагрузку на моторы. По словам разработчиков, благодаря этому при сильном ветре расход энергии во время вертикального полета можно снизить до 85 процентов. Разработчики предполагают, что основным применением Morpho станет инспекция расположенных на больших площадях инженерных сооружений, например, электростанций и высоковольтных линий электропередач. После вертикального взлета дрон будет подлетать к нужным объектам, проводить их обследование с помощью камер, а затем перелетать к следующей цели, используя горизонтальный полет, если она располагается достаточно далеко. https://www.youtube.com/watch?v=tOUkn7YmYV4 Для дронов, которые планируется использовать в тесных помещениях, на первый план выходит безопасность полета. Инженеры из компании Cleo Robotics создали дрон, несущие винты которого находятся внутри пончикообраного корпуса. Благодаря этому они надежно защищены от столкновений с окружающими предметами.