Технології
Технології

Інженери навчилися друкувати крила сарани і планують почепити їх дрону

Вчені захопилися ідеєю використати вміння сарани літати на великі відстані та змогли відтворити особливості її крил за допомогою 3D-принтера та термоформування. Вони змогли реконструювати крила комахи, у тому числі і весь малюнок мережі жилок. В результаті інженери отримали практичний прототип крила вагою близько пів грама, здатне деформуватися на 148 відсотків, яке допоможе мікролітальним апаратам і дронам витрачати менше енергії на політ. Про те, як вчені досліджували крила сарани і шукали спосіб їх відтворити, вони написали у Royal Society Open Science.

Hamid Isakhani et al. / Royal Society Open Science, 2021

Hamid Isakhani et al. / Royal Society Open Science, 2021

Що такого у крилах сарани?

Головною метою аеронавтики є досягнення максимально можливого енергозбереження при польотах на великі відстані. І однією з можливостей забезпечити це для невеликих літальних засобів є підвищення коефіцієнту підйому / опору, не використовуючи при цьому тягу, що покращить аеродинаміку та продуктивність підйому. Одним із варіантів для технологів є звернутися до природи, а зокрема комах, які завдяки своїм досить пластичним і при цьому міцним крилам, вміють виконувати швидкі маневри, уникаючи перешкод або не втрачаючи орієнтацію від зіткнення з товаришами. Так у своїй роботі вчені звернулися до пустельної сарани Schistocerca gregaria, яка окрім своєї поганої репутації найнебезпечнішого гостя сільськогосподарських полях, здатна відмінно літати і долати до 150 кілометрів на день. «Звертаючи увагу лише на позитивні якості цієї комахи», дослідники вирішили повторити особливості крил сарани, щоб наділити і дрони можливістю планувати у повітрі і скоординовано літати без зіткнень.


Кількісні дослідження поведінки зграї пустельної сарани в Східній Африці показали, що дальність їхнього польоту прямо пов'язана із їхньою схильністю літати зграями. Тим паче, що збиратися у мільйонні рої їм допомагає єдиний спеціалізований нейрон (Lobula Giant Movement Detector), що також вчені вже планують використати для механізму уникнення зіткнень для роботів, дронів та безпілотних автівок. Але подальші дослідження цих комах показали, що механічні властивості і морфологія крила є іншими додатковими факторами, що сприяють надвисоким аеродинамічним характеристикам сарани. Зокрема наприклад, на жорсткість на вигин впливає циркуляція гемолімфи (крові) по жилах, які розподілені по всій поверхні крила комахи.

Hamid Isakhani et al. / Royal Society Open Science, 2021

Hamid Isakhani et al. / Royal Society Open Science, 2021

У чому проблема надрукувати їх?

Перш ніж дійти до того, щоб крила сарани можна було отримати на 3D-принтері, вчені дослідили їх у шести типових самок під мікроскопом. Затим вони перетворили хордовий профіль поперечного перерізу крила у цифрову форму, з якої їм вдалося вирахувати, що аеродинамічна ефективність може покращитися до 77 відсотків для для дво- і тривимірної геометрії крила літального апарата. Але надалі дослідники мали знайти економічні і доступні виробничі технології для виготовлення прототипів штучних крил, максимально схожих на їхні цифрові і природні аналоги.


Хоча деякі технології, такі як травлення мікроелектромеханічних систем або мікролітичне лиття, потенційно забезпечують необхідну точність для відтворення всіх характеристик крил сарани, їхня обмежена доступність не задовольняла встановлені на початку умови доступності та економічної ефективності розробки і суперечить їхньому масовому використанню. Для свого прототипу вчені вирішили об'єднати використовувані експериментальні методи, щоб в сукупності забезпечити необхідні характеристики. Так свої крила вони друкували на загальнодоступному 3D-принтері за технологією пошарового наплавлення в поєднанні з точністю вакуумних термоформувальних машин і лазерного різака, які разом можуть допомогти у розробці економічних прототипів з бажаними естетичними і механічними властивостями. З ними вченим вдалося передати одну із найважливіших характеристик, від якої залежить аеродинаміка - точне формування гофрів крила.

Відскановане переднє крило справжньої сарани, прототип з ПВХ товщиною у 50 мікрометрів та закінчений прототип із цианоакрилатний армуванням жилок. Hamid Isakhani et al. / Royal Society Open Science, 2021

Відскановане переднє крило справжньої сарани, прототип з ПВХ товщиною у 50 мікрометрів та закінчений прототип із цианоакрилатний армуванням жилок. Hamid Isakhani et al. / Royal Society Open Science, 2021

То крила підходять для дронів?

Надрукувавши таким чином кілька різних прототипів у різних формах, щоб оцінити вплив всіх основних факторів, таких як товщина профілю, матеріал і гофри, на їхні механічні властивості, вчені створили практичний зразок вагою 0,667 грама та із можливістю деформуватися більш як на 148,2 відсотка. Така піддатливість та водночас стійкість дасть змогу роботу безпечно врізатися у перешкоди та ефективно утворювати ламінарний потік, який би знижував лобовий опір. За словами дослідників, їхні прототипи крила можуть забезпечувати порівняну із сараною гнучкість і пружність. Тому розробка демонструє можливість покращити аеродинамічні характеристики мікролітальних апаратів.

Також раніше ми писали про те, як інженери замінили крила орнітоптера на м'які, з якими він зависати у повітрі та робити сальто всього за 0,16 секунди, і про те, як крила жука-носорога не зупинили дрон після зіткнення.