En fladdrande mikrorobot inspirerad av vingdynamiken hos noshörningsbaggar

4 augusti 2024 Funktion

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper medan de säkerställt artiklens trovärdighet:

• faktakollad
• peer-reviewad publikation
• pålitlig källa
• korrekturläst

av Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Vingsdynamiken hos flygande djurarter har varit inspirationskällan för många flygande robotystem. Medan fåglar och fladdermöss vanligtvis flaxar med sina vingar med kraften som produceras av deras bröst- och vingmuskler, förblir processerna bakom vingrörelserna hos många insekter dåligt förstådda.

Forskare vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Schweiz) och Konkuk University (Sydkorea) begav sig nyligen ut för att utforska hur växtätande insekter, kända som noshornsbaggar, utfäller och drar tillbaka sina vingar. Insikterna de samlade in, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature, användes sedan för att utveckla en ny flaxande mikrorobot som kan passivt utfälla och dra tillbaka sina vingar utan behov av omfattande aktuatorer.

’Insekter, inklusive skalbaggar, antas teoretiskt använda thoraxmuskler för att aktivt fälla ut och dra tillbaka sina vingar vid vingbasen, på ett liknande sätt som fåglar och fladdermöss,’ berättade Hoang-Vu Phan, huvudförfattaren till artikeln, för Tech Xplore. ’Men metoder för att registrera eller övervaka muskelaktivitet kan fortfarande inte fastställa vilka muskler skalbaggar använder för att utfälla och dra tillbaka sina vingar eller förklara hur de gör det.’

Bakhjulen (dvs. bakvingarna) hos skalbaggar liknar hopfällbara origamistrukturer, då de elegant kan fällas ihop och förvaras under elytrorna (dvs. en förhärdad förlängning av framvingen som vanligtvis finns hos skalbaggar) medan de vilar och sedan passivt fällas ut när de flyger. Många tidigare studier som syftade till att återskapa dynamiken hos skalbaggsvingar i robotar använde således origami-liknande strukturer utan att ägna mycket uppmärksamhet åt rörelserna vid basen av bakhjulen.

’Den här forskningen är en uppföljning av mitt tidigare arbete publicerat i Science 2020, där vi upptäckte noshornsbaggars bakvingars stötdämpande funktion under kollisioner i luften,’ förklarade Phan. ’Under experimenten fångade jag av misstag en fullständig tvåfasig vingutfällning och undrade varför skalbaggen använder en så komplex procedur om den drivs av aktiva muskler.’

I sina tidigare undersökningar av noshornsbaggar observerade Phan att dessa insekter kan använda sina elytror och flaxande krafter för att passivt utfälla sina bakhjul för flygning. När deras flygning är över och de landar på en yta använder de sedan elytrorna för att trycka tillbaka bakhjulen mot sina kroppar. Båda dessa åtgärder är passiva till sin natur, eftersom de inte innebär användning av thoraxmuskler som stödjer fåglars och fladdermöss flykt.

’Genom att implementera detta passiva system i flaxande robotvingar visade vi för första gången att till skillnad från befintliga flaxande robotar som håller sina vingar på plats i en fullt utsträckt konfiguration kan vår robot vika vingarna längs kroppen när den vilar och passivt fälla ut sina vingar för att lyfta och hålla en stabil flygning,’ sa Phan.

Forskarna utnyttjade insikterna de förvärvat från sin studie av noshornsbaggar för att konstruera en flaxande mikrorobot som väger 18 gram. Denna mikrorobot, som är ungefär dubbelt så stor som en verklig skalbagge, kan passivt utfälla och dra tillbaka sina vingar.

’För enkelhetens skull använde vi elastiska senor installerade vid armhålorna som låter roboten stänga sina vingar passivt,’ sa Phan. ’Genom att aktivera flaxande rörelse kan roboten passivt fälla ut sina vingar för att lyfta och hålla en stabil flygning. Därefter kan den genom att sluta flaxa efter landningen snabbt och passivt dra in vingarna tillbaka till kroppen utan behov av några ytterligare aktuatorer.’

Det senaste arbetet av Phan och hans kollegor avslöjade att mekanismerna bakom hur skalbaggar utfäller och drar tillbaka sina bakhjul är passiva och inte förlitar sig på muskelförflyttningar. Det introducerade sedan en livsduglig strategi för att reproducera dessa mekanismer i mikrorobotar och öka deras likhet med insekter.

’Vår robot med fällbara vingar kan användas för sök-och-räddningsuppdrag i trånga utrymmen,’ sa Phan. ’Till exempel kan den ta sig in i ett kollapsat byggnad där människor inte kan nå. Med sin lilla skala kan roboten flyga in i smala utrymmen. När flygning inte är möjligt kan roboten landa eller sätta sig på vilken yta som helst och sedan byta till andra rörelselägen som krypande.’

Särskilt när lagets mikrorobot kryper rör sig dess vingar längs kroppen, vilket minskar risken för att de ska skadas samtidigt som det förbättrar robotens rörlighet i trånga utrymmen. När den sedan hittar en bra plats att flyga, kan roboten enkelt fälla ut sina vingar igen och växla tillbaka till flygläge.

”Vår fladdrande robot skulle också kunna hjälpa biologer att studera biomekaniken hos insekters flykt och skulle kunna förklä sig till spioninsekter för att utforska livet hos verkliga insekter i skogar, för vilket konventionella roterande drönare inte är tillämpliga,” sa Phan. ”Dessutom kan den fladdrande roboten användas för att utföra ingenjörsforskning eller som en teknisk leksak för barn, eftersom dess låga fladdrande frekvens är mycket säker och användarvänlig.”

Hittills har Phan och hans kollegor bedömt sin mikrorobots prestanda i en serie preliminära tester, vilket gav lovande resultat. I framtiden kan deras design förbättras ytterligare och testas i olika verkliga scenarier för att ytterligare validera dess potential.

”I framtida studier skulle det vara intressant att utforska om andra insekter, som små flugor, använder liknande passiva strategier med begränsad muskelkapacitet,” tillade Phan. ”Vi siktar också på att förbättra vår robots smidiga flykt och implementera markförflyttningsförmågor som att sätta sig fast och krypa, liknande dess biologiska motparter.”

Mer information: Hoang-Vu Phan med flera, Passiv vingnedfällning och uppfällning hos skalbaggar och fladdrande mikroroboter, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07755-9

© 2024 Science X Network