Робоблоху научили высоко прыгать и быстро бегать с помощью высокого напряжения

Китайские инженеры разработали электрический актуатор для микророботов, в котором работу совершает расширяющийся воздух, нагреваемый дуговым разрядом. На его основе они построили миниатюрную робоблоху массой 12 миллиграмм и длиной корпуса 3,4 миллиметра, который может совершать прыжки на высоту до 87 длин своего тела, что сравнимо со способностями настоящей блохи. Статья с описанием разработки опубликована в журнале IEEE Robotics and automation letters.

Одна из ключевых проблем при разработке микророботов заключается в выборе актуаторов. Дело в том, что при уменьшении размеров происходит снижение эффективности многих привычных механизмов актуации, таких, например, как электромоторы. Особенно это актуально для совсем маленьких устройств размером порядка миллиметров. Обычно для них применяется внешнее управление с помощью магнитного поля, что ограничивает робота в передвижении областью действия управляющих электромагнитов. Другой вариант — использовать пьезоэлектрические пластины или актуаторы, основанные на химических реакциях, которые позволяют микророботу перемещаться по поверхности, но слабо подходят для прыжков в высоту, необходимых для преодоления препятствий.

Инженеры из Китая под руководством Жуй Дэ Юня (Ruide Yun) из Бэйханского университета предложили новый тип универсального актуатора, который обеспечивает одновременно высокую эффективность как в прыжках, так и при движении по поверхности. Принцип работы актуатора напоминает поршневой двигатель внутреннего сгорания, только вместо горения химического топлива, внутри создается кратковременный дуговой электрический разряд между двумя электродами. Из-за резкого нагрева воздух в камере расширяется, совершая работу над ее стенками. После отключения электрической дуги воздух остывает, а камера сжимается в исходное состояние с помощью пружин, после чего цикл повторяется.

На основе нового актуатора инженеры построили миниатюрного робота массой всего лишь 12 миллиграмм. Его длина составляет 3,4, а ширина — 2,2 миллиметра. Корпус сделан из стекловолокна и состоит из двух частей с прямоугольным сечением. Одна из них меньше и входит в другую, образуя замкнутую камеру, которая может расширяться за счет сдвига половин корпуса в продольном направлении. В торцах обеих частей с внутренней стороны установлены вольфрамовые электроды, расстояние между которыми в сжатом состоянии корпуса составляет 0,7 миллиметра. На электроды через провода подаются импульсы напряжения величиной до четырех киловольт.

Подавая на электроды напряжение в виде импульсов можно заставить робоблоху прыгать. Для этого робот должен опираться торцом корпуса о поверхность, от которой происходит отталкивание. Также микроробот может передвигаться по поверхности. Для этого случая на одной из сторон корпуса предусмотрены опоры, выполненные таким образом, чтобы передняя и задняя пары имели разные коэффициенты трения. За счет этого при каждом срабатывании актуатора робот смещается в продольном направлении.

Серия испытаний показала, что робот может прыгать на высоту до 296,25 миллиметров и в длину на 156,28 миллиметра, что составляет 87 и 45 длин его тела соответственно. Такие характеристики сравнимы со способностью блох, высота прыжка которых достигает 160 миллиметров, а длина — 330 миллиметров, при сравнимых с роботом размерах. При перемещении по поверхности робот развивает среднюю скорость 35 длин тела в секунду при максимальной ее величине 46 длин тела в секунду,

Благодаря таким характеристикам микроробот с высоковольтным импульсным актуатором может перемещаться по сложному рельефу, преодолевая узкие места на поверхности за счет своих небольших размеров и перепрыгивая через высокие препятствия. По словам инженеров в будущем они продолжат работу над беспроводной версией прототипа, а также над возможностью управлять направлением движения микроробота на поверхности и в прыжках.

Ранее мы рассказывали о другом роботе-прыгуне, разработанном американскими инженерами, который достиг еще более впечатляющих результатов в прыжках в высоту. В отличие от микроскопической робоблохи этот робот имеет большую массу, составляющую 30 грамм и высоту 30 сантиметров. Благодаря мощным пружинам, которые перед прыжком сжимаются с помощью электродвигателя, робот способен подпрыгнуть до 33 метров, что составляет около 100 длин его тела.