Оригами и магнитные пластины позволили создать дистанционно управляемое робощупальце
Американские инженеры разработали робощупальце, построенное на основе оригами-узоров и управляемое без проводов с помощью магнитного поля. Каждый его сегмент состоит из намагниченной определенным образом пластины и оригами-кольца, которое может расширяться и изгибаться. Варьируя направление намагниченности между сегментами, авторы смогли добиться сложных движений, например изгиба в спираль с вращением. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Классические роботизированные манипуляторы — это комбинация из нескольких сегментов и нескольких актуаторов, таких как электромоторы или гидравлические приводы. Они способны самостоятельно управлять своим движением, причем, как правило, имеют большую силу. На практике почти всегда применяют манипуляторы такого типа, но в исследовательских работах инженеры часто используют другой подход, при котором манипулятор представляет собой пассивную конструкцию, а приводят ее в движение внешние стимулы, такие как магнитное поле или нагревание. Чаще всего этот подход применяют в разработке совсем небольших медицинских приборов и роботов, работающих внутри тела, поскольку пока для них нет достаточно миниатюрных и при этом эффективных компонентов. Например, есть магнитные микророботы, умеющие захватывать объекты и перемещать в нужную точку без какой-либо собственной электроники.
В относительно больших роботах и манипуляторах управление движением внешними стимулами пытаются использовать гораздо реже. Одну из таких разработок представила команда инженеров из Университета штата Огайо и Технологического института Джорджии под руководством Жуйкэ Чжао (Ruike Zhao). Помимо использования магнитного управления манипулятор примечателен и тем, что состоит из складных сегментов, выполненных в технике оригами.
Авторы использовали определенный узор оригами, который, кстати, не первый раз используется в робототехнике — паттерн Креслинг, который был впервые описан Бирутой Креслинг (Biruta Kresling). Как правило, его применяют в цилиндрической конструкции, где цилиндр состоит из двух чередующихся треугольников, расположенных под углом к оси цилиндра. Главная особенность паттерна, из-за которой его все чаще используют инженеры, заключается в том, что он связывает между собой вращательное и поступательное движение:
Созданный авторами новой работы манипулятор состоит из сегментов, которые в свою очередь образованы паттерном Креслинг. Сам цилиндрический паттерн собран из бумаги или полипропилена (инженеры собрали прототипы из разных материалов). С торцов он закрыт пластиной из силиконового эластомера с магнитными включениями из сплава неодима, железа и бора.
Каждую пластину авторы намагничивали отдельно, задавая определенное направление намагниченности. Благодаря этому они смогли использовать для управления внешнее магнитное поле: при его создании пластины стремятся ориентироваться так, чтобы их собственная намагниченности совпадала с направлением поля.
Инженеры создали прототипы робощупальца с разным количеством сегментов (до 18). В зависимости от количества сегментов авторы использовали сегменты разного размера с высотой в разложенном состоянии от 7,8 до 18,6 миллиметра. Комбинируя в одном манипуляторы пластины с разной намагниченностью, а также управляя характеристиками внешнего поля, инженеры добились различного поведения прототипов, а также управления движением отдельных сегментов. С помощью одного из них они даже смогли захватить небольшой предмет, обхватив его вокруг.
Оригами-структуры такого типа, который использован в этой работе, проявляют и другие необычные свойства помимо преобразования вращательного движения в поступательное. Например, в 2019 году ученые выяснили, что при ударе о край такой структуры сжимающая деформация почти сразу гасится в ее начале, а затем превращается в сильное растяжение, распространяющееся вглубь.
Григорий Копиев
Он выдерживает температуру в 200 градусов Цельсия на протяжении 10 минут
Инженеры разработали термоустойчивый квадрокоптер FireDrone, он способен выдержать температуру в 200 градусов Цельсия в течение десяти минут. Это стало возможно благодаря тепловой защите на основе аэрогеля из полиимида, в которую заключены все внутренние компоненты дрона, включая электромоторы. Прототип оборудован инфракрасной камерой и термодатчиками, отслеживающими внутреннюю и внешнюю температуры. Благодаря устойчивости к высоким температурам дрон может пригодиться пожарным службам для разведки во время пожаров. Статья опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems. Во время тушения пожаров пожарные службы отправляют на место происшествия разведывательные отряды, чтобы оценить ситуацию. Это создает риск для жизни и здоровья сотрудников спасательных служб, поэтому инженеры ищут возможность использовать для этой цели дроны, которые можно было бы отправить к источнику опасности вместо людей. С помощью беспилотников можно предварительно обследовать место происшествия и определить положение источников опасности, составить план местности и попытаться найти выживших. Однако для того, чтобы работать в непосредственной близости от источника высокой температуры, дрон должен обладать термозащитой. Инженеры под руководством Мирко Ковача (Mirko Kovač) из Имперского колледжа Лондона разработали прототип квадрокоптера FireDrone с термозащитой на основе армированного стеклотканью полиимидного аэрогеля — легкого пористого геля, который состоит в основном из воздушных полостей в полиимидной матрице с добавлением стекловолокна и силикатного аэрогеля. Благодаря этой защите дрон способен выдерживать температуру до 200 градусов Цельсия на протяжении десяти минут, при этом температура внутри корпуса не превышает 40 градусов. Помимо обычной RGB-камеры, дрон оборудован также камерой, снимающей в инфракрасном диапазоне для обнаружения источников высокой температуры, в условиях сильного задымления. Бортовая электроника один раз в секунду измеряет температуру снаружи и внутри термозащитного кожуха. Внутри дрона есть система охлаждения, которая построена на использовании эффекта понижения температуры при испарении сжиженного углекислого газа, который находится в картридже. При излишнем нагреве происходит открытие клапана и небольшие трубки распределяют газ для охлаждения внутренних компонентов. Термозащита дрона построена из плоских элементов толщиной 15 миллиметров, которые крепятся к раме из полиамида, образуя ромбокубооктаэдр. Корпус такой формы проще в изготовлении, чем корпус с изогнутыми элементами, при этом он имеет достаточный внутренний объем. Для отражения инфракрасного излучения от источников тепла снаружи дрон покрыт алюминиевой фольгой. Двигатели находятся в центральной части дрона, их вращение передается пропеллерам с помощью трансмиссии. Термозащиту разработчики испытали в тепловой камере, а также в тестовых полетах вблизи источников открытого пламени. Эти эксперименты подтвердили, что за счет тепловой изоляции с помощью аэрогеля и использования системы охлаждения удается значительно замедлить рост внутренней температуры. Кратковременно дрон способен выдержать температуру даже больше 1000 градусов, однако при этом начинают происходить структурные изменения корпуса за счет деформации аэрогеля. Для чистого полиимидного аэрогеля такая деформация наблюдается уже выше 200 градусов, но дополнительные армирующие добавки позволяют снизить этот эффект. Благодаря низкой теплопроводности дрон может использоваться также и при низких температурах. И если время работы дрона в условиях высокой температуры определяется размером резервуара с углекислым газом для системы охлаждения, то в случае полетов в условиях холода, внутренняя температура поддерживается на достаточном уровне за счет тепловыделения внутренних компонентов дрона. https://www.youtube.com/watch?v=pNp2T9Sx7xY Из множества существующих дронов, предназначенных для тушения пожаров с помощью воды или огнетушителей выделяется гексакоптер NIMBUS, разработанный специалистами из Университета Небраски-Линкольна. Вместо тушения уже разгоревшегося огня, он предназначен для создания новых контролируемых поджогов — одного из методов борьбы с пожарами. Для этого он оборудован системой сброса горящих шаров.