Нова система штучних м'язів на основі рідкого діелектрика допомогла комахоподібному орнітоптеру помахати крилами не гірше за комах, якими надихалися британські інженери. Махання крилами коптеру забезпечують електростатичні сили, підсилені рідиною — з ними він може летіти зі швидкістю до 0,71 метра за секунду. Як добитися на літальних засобах розміром з комаху такого ж відношення тяги до потужності, як і у гвинтокрилів, вчені описали у Science Robotics.
SoftLab Bristol / YouTube
Навіщо дронам махати крилами?
Враховуючи, що для великої кількості завдань, як-то моніторинг чи пошуково-рятувальні операції, спостереження з повітря є набагато ефективнішим, дрони як галузь робототехніки активно розвиваються та обзаводяться кращими навігаційними системами, більш енергоефективними стратегіями польотів та навіть додатковими кінцівками. Втім, окрім звичних нам комерційних дронів з гвинтами, увагу інженерів займають орнітоптери, яким польоти забезпечує обернено-поступальний рух крил. Такі дрони є набагато тихшими, легше справляються з поривами вітру та володіють більшою маневровістю.
Щоб змусити дрон замахати крилами, до них потрібно прикладати якусь змінну у часі силу. Зазвичай це електродвигуни, які перетворюють обертальний рух у коливальний, або ж іноді більш екзотичні варіанти з п'єзоелектриками. Однак враховуючи, що основним обмеженням для мікролітальних засобів є їхня загальна маса, яка напряму впливає на прискорення і маневровість, такі системи можуть займати чи не половини всього коптера.
Тому для свого крилатого коптера інженери Бристольського університету, що у Британії, обрали інший підхід. Їхній комахоподібний дрон махатиме крилами завдяки новій системі штучних м'язів, яка не потребуватиме будь-якої системи передач чи додаткових механізмів для перетворення енергії.
Що пропонують вчені?
Щоб змусити свій дрон літати, інженери звернулися до електростатики — крила рухатимуть змінні електростатичні сили тяжіння і відштовхування електричного заряду. Електростатичні приводи є найпоширенішим і добре дослідженим способом забезпечити рух у мікромасштабі, і зазвичай це конструкції з паралельними пластинами, між якими і виникають ці сили. Привідна система для створення показаного вченими коптера складається лише із простих ізольованих електродів на крилах. Однак у зв'язку з цим виникають обмеження, як наприклад, ослаблення сили з відстанню, а отже обмежений можливий діапазон руху крил.
Тому в цій роботі інженери звернулися до одного з варіантів таких приводів, що називають застібкою» (electrostatic zipping). У такій конструкції спрацьовування спочатку відбувається локально у точці з невеликим зазором, дозволяючи структурі, що залишилася, «застібатися» у міру того, як вона згодом наближається до протилежно зарядженого провідника. Використовуючи цей ефект поступового застібання, спрацьовування з більшою силою можна забезпечити і при набагато нижчих напругах та не зважати на зменшення сили за більшого діапазону руху.
Схема роботи крила. SoftLab Bristol / YouTube
Так коптер обзавівся крилами, заснованими на електростатичній «застібці», посиленій рідиною або, як систему назвали інженери, «посиленим рідиною приводом-застібкою» (liquid-amplified zipping actuator, LAZA). Так сили концентруються в одній рухомій точці застібки, тим самим забезпечуючи сильне поступове спрацьовування. У цій точці і знаходиться рідина, а саме – силіконова олія, рідкий діелектрик, який значно посилює електростатичну силу.
Як дрон помахав крилами?
Щоб зрушити свій орнітоптер з місця, інженерам потрібна крихітна крапля рідкого діелектрика для посилення електростатичної сили, яка прикладається безпосередньо до основи крила та забезпечує пікову і середню питому потужність у 200 та 124 вати на кілограм відповідно. Для порівняння, питома потужність м'язів комах оцінюється між 80 і 83 ватами на кілограм. На додачу до цієї високої питомої потужності, система забезпечує безпосередній маховий рух і вимагає додати лише крила для створення тяги, на відміну від інших приводних систем, для яких потрібна система для передавання крутного моменту.
На коптер вчені почепили крила завдовжки у 50 міліметрів, що дало чисту спрямовану тягу до 5,73 мілітоньютона при споживанні всього 243 міліватів енергії. Тобто відношення тяги до потужності склало 23,6 ньютона на кіловат — аналогічно гвинтам вертольотів і комерційним безпілотникам. Так дрон зміг рухатися зі швидкістю до 0,71 метра в секунду, а крила лишалися стабільними протягом тисяч циклів помахів — вони не змінили амплітуди навіть протягом більш як шести годин польоту при частоті помахів у 50 герців.
SoftLab Bristol / YouTube
Раніше ми вже також розповідали про крилатих дронів. Наприклад, для цього інженери підглядали за жуками-носорогами, щоб дрон не збивався у польоті, стикаючись з перешкодами. А цьому збільшили кількість помахів крилами до швидкості майже 500 разів на секунду, щоб той був стійкішим та робив сальто.