Аэрогель повысил огнестойкость дрона
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.
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.
Ее мышцы сокращаются под воздействием электростимуляции
Американские инженеры создали медузу-киборга с вживленными электродами для электростимуляции мышц. На куполе медузы разместили обтекатель полуэллептической формы, который позволил увеличить скорость перемещения биогибрида в 4,5 раза. Препринт опубликован на arXiv.org. При поддержке высокопроизводительного и масштабируемого российского веб-сервера Angie Зачастую животные становятся источником вдохновения для инженеров, занимающихся разработкой роботов. Это связано с тем, что многие живые организмы в ходе эволюции смогли выработать эффективные способы передвижения, которые инженеры стремятся воспроизвести. Однако несмотря определенные успехи, даже самые передовые разработки по-прежнему сильно уступают природным оригиналам в эффективности. Есть и альтернативный подход — использовать различные методы управления живыми организмами, чтобы они выступали в роли киборгов, выполняющих необходимые действия и команды. В качестве примера можно привести успешные опыты по управлению жуками, стрекозами и тараканами с помощью электрической и оптической стимуляции их мышц и органов чувств. В 2020 году американские исследователи научились управлять морскими медузами через вживленные в них электроды. Электрическая стимуляция позволила увеличить скорость движения представителей вида ушастых аурелий (Aurelia aurita) в 2,8 раза. Однако исследователи Саймон Анущик (Simon R. Anuszczyk) и Джон Дабири (John Dabiri) из Калифорнийского технологического института не остановились на достигнутом и создали улучшенный вариант медузы-киборга. Так же, как и ранее электростимуляция происходит через электроды, внедренные в расположенные под куполом медузы плавательные мышцы, на которые подаются прямоугольные импульсы с частотой 0,5 герц продолжительностью 10 миллисекунд при напряжении 3,7 вольт. При этом выяснилось, что если закрепить на внешней стороне купола медузы колпак-обтекатель с формой полуэллипса, то происходит изменение характера течения потоков воды вокруг тела медузы, что в итоге приводит к дополнительному увеличению скорости перемещения. Пластиковый 3D-печатный обтекатель крепится к деревянному стержню, который проходит через тело медузы и противоположным концом соединяется с водонепроницаемым контейнером, содержащим бортовую электронику с микропроцессором и аккумулятором. Чтобы вес обтекателя не влиял на вертикальную скорость, инженеры добились слабой положительной плавучести биогибрида. Эксперименты проводили в вертикальном бассейне высотой шесть метров, вмещающем 13600 литров соленой воды. Как и в предыдущем исследовании, исследователи использовали медуз вида Aurelia aurita, которые не имеют центральной нервной системы и ноцицепторов, и потому предполагается, что опыты не причиняют им страданий. Медуз выпускали наверху в бассейн и заставляли с помощью электростимуляции плыть вниз. Оказалось, что наибольший прирост в скорости достигается с обтекателем, высота полуэллипса которого равна диаметру основания. С ним скорость движения медузы-киборга увеличивается в 4,5 раза по сравнению с нормальным режимом плавания. Так как объем пустого пространства под обтекателем составляет около 105 процентов объема самой медузы, то внутри него можно разместить дополнительную полезную нагрузку. К примеру, туда можно установить емкий аккумулятор, который позволит медузе-киборгу работать до 22 недель, а также набор сенсоров для измерения различных показателей окружающей среды. Таким образом биогибридную медузу можно будет использовать в практических целях для исследования океанов в течение длительного времени, в том числе на большой глубине, считают авторы исследования. Вместо того чтобы пытаться превратить в робота живой организм целиком, иногда проще использовать только отдельные его части. К примеру, американские инженеры построили миниатюрного биогибридного робота eBiobot, в котором в роли приводящих его в движение актуаторов выступают искусственно выращенные трансгенные мышцы.
