Robot mikrorobotów inspirowany dynamiką skrzydeł chrząszczy nosorożców

4 sierpnia 2024

artykuł

Artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące atrybuty, zapewniając jednocześnie wiarygodność treści:

• sprawdzone pod kątem faktów
• publikacja recenzowana przez ekspertów
• zaufane źródło
• korekta

przez Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Dynamika skrzydeł gatunków zwierząt latających była inspiracją dla wielu latających systemów robotycznych. Podczas gdy ptaki i nietoperze zazwyczaj trzepoczą skrzydłami, wykorzystując siłę wytwarzaną przez mięśnie piersiowe i skrzydłowe, procesy leżące u podstaw ruchów skrzydeł wielu owadów pozostają słabo poznane.

Naukowcy z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Szwajcaria) i Uniwersytetu Konkuk (Korea Południowa) niedawno postanowili zbadać, w jaki sposób roślinożerne owady znane jako chrząszcze nosorożce rozkładają i chowają skrzydła. Zebrane przez nich informacje, opisane w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature, zostały następnie wykorzystane do opracowania nowego trzepoczącego mikrorobota, który może pasywnie rozkładać i chować skrzydła, bez potrzeby stosowania rozbudowanych siłowników.

„Teoretycznie uważa się, że owady, w tym chrząszcze, używają mięśni klatki piersiowej do aktywnego rozkładania i chowania skrzydeł u nasady, podobnie jak ptaki i nietoperze” — powiedział Tech Xplore Hoang-Vu Phan, główny autor artykułu. „Jednak metody rejestrowania lub monitorowania aktywności mięśni nadal nie mogą określić, których mięśni używają chrząszcze do rozkładania i chowania skrzydeł, ani wyjaśnić, w jaki sposób to robią”.

Tylne skrzydła (tj. tylne skrzydła) chrząszczy przypominają składane struktury origami, ponieważ można je starannie złożyć i schować pod pokrywami (tj. utwardzonym przednim skrzydłem, które zwykle występuje u chrząszczy), gdy odpoczywają, a następnie pasywnie rozłożyć, gdy lecą. Wiele wcześniejszych badań mających na celu odtworzenie dynamiki skrzydeł chrząszczy w robotach wykorzystywało zatem struktury przypominające origami, nie zwracając większej uwagi na ruchy u nasady tylnych skrzydeł.

„Te badania są kontynuacją mojej poprzedniej pracy opublikowanej w Science w 2020 r., w której odkryliśmy amortyzującą funkcję tylnych skrzydeł chrząszczy nosorożców podczas zderzeń w locie” — wyjaśnił Phan. „Podczas eksperymentów przypadkowo uchwyciłem pełne dwufazowe rozłożenie skrzydeł i zastanawiałem się, dlaczego chrząszcz stosuje tak złożoną procedurę, skoro jest napędzany aktywnymi mięśniami”.

W swoich poprzednich badaniach chrząszczy nosorożców Phan zauważył, że owady te mogą wykorzystywać swoje pokrywy i siły trzepotania, aby pasywnie rozłożyć tylne skrzydła do lotu. Po zakończeniu lotu i wylądowaniu na powierzchni używają pokryw, aby odepchnąć tylne skrzydła z powrotem na swoje ciało. Obie te czynności są pasywne, ponieważ nie wymagają użycia mięśni klatki piersiowej, które wspierają lot ptaków i nietoperzy.

„Wdrażając ten pasywny mechanizm w robotach z trzepoczącymi skrzydłami, po raz pierwszy wykazaliśmy, że w przeciwieństwie do istniejących robotów z trzepoczącymi skrzydłami, które utrzymują skrzydła nieruchomo w całkowicie rozciągniętej konfiguracji, nasz robot może składać skrzydła wzdłuż ciała, gdy jest w stanie spoczynku, i pasywnie rozkładać skrzydła, aby wystartować i utrzymać stabilny lot” — powiedział Phan.

Naukowcy wykorzystali wiedzę, jaką uzyskali podczas badania chrząszczy nosorożców, aby zbudować trzepoczącego mikrorobota, który waży 18 gramów. Ten mikrorobot, który jest około dwa razy większy od prawdziwego chrząszcza, może pasywnie rozkładać i chować skrzydła.

„Dla uproszczenia użyliśmy elastycznych ścięgien zainstalowanych w pachach, które pozwalają robotowi pasywnie zamykać skrzydła” — powiedział Phan. „Dzięki aktywacji ruchu trzepoczącego, robot może pasywnie rozkładać skrzydła, aby wystartować i utrzymać stabilny lot. Następnie, poprzez zatrzymanie trzepotania po lądowaniu, skrzydła mogą być szybko i pasywnie chowane z powrotem do ciała bez potrzeby dodatkowych siłowników.'

Niedawna praca Phana i jego współpracowników ujawniła, że ​​mechanizmy leżące u podstaw rozkładania i chowania tylnych skrzydeł przez chrząszcze są pasywne i nie polegają na ruchach mięśni. Następnie wprowadzono wykonalną strategię odtwarzania tych mechanizmów w mikrorobotach, zwiększając w ten sposób ich podobieństwo do owadów.

„Nasz robot ze składanymi skrzydłami może być używany w misjach poszukiwawczo-ratowniczych w ciasnych przestrzeniach” — powiedział Phan. „Na przykład może wejść do zawalonego budynku, do którego ludzie nie mają dostępu. Dzięki swoim niewielkim rozmiarom robot może latać w ciasnych przestrzeniach. Gdy lot nie jest możliwy, robot może wylądować lub usiąść na dowolnej powierzchni, a następnie przełączyć się na inne tryby lokomocji, takie jak czołganie się”.

Co ciekawe, gdy mikrorobot zespołu czołga się, jego skrzydła spoczywają wzdłuż ciała, co zmniejsza ryzyko ich uszkodzenia, a jednocześnie zwiększa mobilność robota w ciasnych przestrzeniach. Gdy robot znajdzie dobre miejsce do lotu, może po prostu ponownie rozłożyć skrzydła i przełączyć się na tryb lotu.