Животный мир полон идей, которые во всю и успешно используют специалисты из области робототехники. Яркими примерами тому являются роботы SALTO , Robirds , MuddyBot, WildCat , Octobot и множество других необычных робототехнических устройств. И недавно этот ряд пополнился еще одним членом, роботом-летучей мышью Bat Bot, созданным специалистами из Калифорнийского технологического института и университета Иллинойса. Мягкие крылья этого робота являются более безопасной альтернативой, как для самого робота, так и для окружающей среды по сравнению с жесткими лопастями квадрокоптеров и других летательных аппаратов. И, во-вторых, робот Bat Bot обладает всеми превосходными возможностями в полете, как и его живой "прототип".
По быстро мелькающим на фоне темного неба силуэтам невозможно разглядеть, что летучие мыши используют достаточно сложную скелетно-мышечную систему, которая позволяет им вытворять все элементы их "воздушной акробатики". Благодаря наличию высокоподвижных суставов в плечевом и локтевом суставах, мышь может динамически менять форму своих крыльев. Крыло летучей мыши способно принимать одну из 40 известных форм, каждая из которых обладает своими аэродинамическими характеристиками, благодаря чему это животное способно резко поворачивать в воздухе, совершать крутые броски вверх или вниз.
Робот Bat Bot, вес которого составляет 93 грамма при размахе крыльев 0.3 метра, полностью копирует даже самые мельчайшие особенности полета летучих мышей. Управляют полетом робота сложные алгоритмы, работающие в крошечном бортовом компьютере робота, который при помощи целого набора датчиков позволяет роботу летать полностью самостоятельно.
Создавая робота Bat Bot, исследователи столкнулись с проблемой недостаточной прочности крыла. Механизм крыла должен быть легким и, одновременно, прочным, гибким и подвижным для того, чтобы позволить очень быстро изменять форму крыла во время выполнения пируэтов в воздухе. Но исследователям удалось добиться желаемого результата, что, в свою очередь, даже позволило увеличить эффективность полета робота по сравнению с живой летучей мышью. Во время полета тончайшая мембрана крыла формирует своего рода карман, в который попадает "порция" воздуха, а затем интенсивным движением этот воздух выталкивается крылом в нужном направлении, обеспечивая более высокую подъемную силу. В качестве самого подходящего материала для мембраны крыльев после серии экспериментов была выбрана тончайшая пленка из эластичной силиконовой резины, толщина которой составляет всего 54 микрона.
Робот Bat Bot, обладающий высочайшей маневренностью, способен проникать в такие места, куда не смогут проникнуть другие малые летательные аппараты, имеющие жесткую конструкцию и жесткие лопасти их пропеллеров. Кроме этого, использование экономичного метода воздушного кармана позволит роботу Bat Bot оставаться гораздо дольше других летательных аппаратов, имеющих аккумуляторную батарею сопоставимой емкости. Все вышесказанное делает робота Bat Bot идеальным вариантом для его использования в ситуациях, когда острые грани лопастей других аппаратов могут ранить людей, попавших в ловушку при стихийных бедствиях, к примеру, или повредить какое-нибудь хрупкое и ценное оборудование.
Группа робототехники и кибернетики из Политехнического университета Мадрида (Испания) представила новый микро-БПЛА. Дрон использует инновационную систему искусственных мышц, состоящих из материалов, способных сокращаться и сжиматься так, как это делают мышцы летучих мышей.
Пока искусственная мышка летает только по прямой, а колебания её крыльев не превышают 4 мм. (Здесь и ниже фото Политехнического университета в Мадриде.)
Речь идёт о беспилотнике BaTboT, «Летучем мышероботе». Сообщается, что миниатюрный аппарат, форма крыльев которого может быть изменена непосредственно в полёте, способен весьма эффективно маневрировать на небольших скоростях, что позволит ему летать в замкнутом пространстве или среди многочисленных препятствий.
Крылья летучих мышей (единственных млекопитающих, способных к полёту) состоят из более чем двух дюжин независимых сочленений и одной тонкой, гибкой мембраны, растянутой на костной системе крыла. Поразительная манёвренность животных - результат сочетания взмахов их крыльев и одновременных сокращений и растяжений этих же крыльев в полёте. Крыло со столь изменяемой геометрией доводилось до совершенства эволюцией в течение миллионов лет, и попытка воспроизвести его за короткое время стала настоящим вызовом для учёных. Они приняли его, и в результате получился BaTboT.
Размах крыльев этого микро-БПЛА составляет 50 см, что объясняется желанием «соответствовать природному прототипу». А прототипом стала летучая лисица (Pteropus poliocephalus), одна из самых крупных летучих мышей в мире. Вес микро-БПЛА минимизировался для достижения максимального времени полёта на встроенной литий-полимерной батарее.
Для воспроизведения работы мускульной системы животного исследователям пришлось обратиться к относительно сложной задаче - вместо обычных моторов нужно было сымитировать действие мышц живых существ. «Мышцы» BaTboT состоят из крошечных волокон, «сотканных» из сплавов с памятью формы; они работают по образцу бицепсов и трицепсов, сокращающих сочленения крыла летучей мыши. Весит каждый из «мускулов» BaTboT менее 1 г, а общая масса микро-БПЛА, которого разработчики предпочитают называть летающим роботом, составляет 125 г (включая аккумуляторы, бортовую электронику и движители). «Скелет» тянет на 34 г. Общая тяга крыла летуна - 12,2 г/см, время взмаха - 300 мс, колебание крыла при взмахе - примерно 4 мм. Ток, приводящий в движение «мышцы», имеет силу в 285 мА и напряжение в 3–5 В.
Каркас микро-БПЛА. На него натягивается силиконовая ткань обшивки толщиной в 0,1 мм.
Данные по биологическим деталям полёта летучих мышей были получены испанскими исследователями от коллег из Университета Брауна в Провиденсе (США). В ближайшем будущем в дополнение к простому полёту по прямой авторы намерены перейти к полётам с интенсивным маневрированием, что позволит доработать системы контроля, навигации и сенсоров. Целью такой модификации называется достижение способности к автономным действиям, в ходе которых микродрон сможет собирать информацию. В качестве возможных сфер применения учёные упоминают биологические исследования по изучению летучих мышей в их естественной среде обитания, а также контроль за вредителями.
Вряд ли стоит сомневаться, что способность к сбору информации и высокоманёвренному полёту в закрытых помещениях не заинтересует военных. Напомним, ещё во время Второй мировой ВВС США трудились над проектом бомбардировки японских городов летучими мышами, сбрасываемыми в самораспаковывающихся контейнерах, причём каждая мышь имела ранец с 17-граммовой зажигательной бомбой. Тестовые полёты были настолько успешными, что в результате едва не сгорела сама испытательная база…
Итоговая публикация по первой стадии проекта должна состояться в текущем году.
Разработкой биовдохновленных устройств (роботизированные муравьи, бабочки, птицы) сейчас занимаются несколько крупных компаний, в их число входит и немецкая фирма Festo, основная сфера деятельности которой – промышленная автоматизация.
Последним достижением немецких инженеров в этом направлении стал управляемый робот BionicFlyingFox. В отличие от других моделей, он повторяет строение тела лисицы-крылана – самого крупного подвида летучих мышей. По словам разработчиков, аппарат относится к разряду «сверхлегких летающих устройств с интеллектуальной кинематикой», что наделяет его ранее недостижимыми возможностями.
Представители компании приоткрыли завесу тайны, опубликовав основные параметры новинки:
Чтобы летучая мышь получился настолько легким, мембрана крыла сделана из тонкой плетеной ткани, которая с обеих сторон покрыта двумя слоями воздухонепроницаемой пленки.
Помимо материала мембраны, стоит обратить внимание на само крыло: оно состоит из двух взаимосвязанных плоскостей. Каждая плоскость имеет собственные двигатели и контур управления. Движущей силой является главный электромотор постоянного тока. Обеспечение энергией главного мотора и вспомогательных двигателей реализовано при помощи встроенного источника питания, что наделяет агрегат полной автономностью.
Управление реализовано при помощи наземной управляющей станции, которая через встроенные камеры способна следить за действиями агрегата в воздухе. Для того чтобы упростить процесс эксплуатации, разработчики внедрили систему искусственного интеллекта и самообучения. Такая функция позволяет улучшать технику выполнения воздушных маневров. В перспективе эта техника будет доведена до совершенства, и роботизированные животные по своим возможностям уже ничем не будут уступать живым прототипам.
Умение летучих мышей летать в практически кромешной тьме, выполняя сложнейшие маневры, удивляло и озадачивало ученых сотни лет. Лишь относительно недавно специалисты выяснили, благодаря чему летучая мышь может ориентироваться в пространстве без помощи органов зрения. Тем не менее, восхищают специалистов не только навигационные способности этих животных, но и их мастерство полета.
Летает мышь тихо, быстро, умеет практически мгновенно сменять направление движения. Если бы нечто подобное удалось создать человеку, науке и технике это дало бы многое. Инженеры и ученые долгое время изучают механику полета этих животных, стараясь воссоздать механизм полета мыши. Кое-кому это удается.
На днях ученые из Caltech представили своего робота Bat Bot (B2), оснащенного мягкими составными крыльями с перепонками между остовом. Партнерами Caltech в проекте выступила команда специалистов из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне (UIUC, University of Illinois at Urbana-Champaign). «Конструкция этого робота поможет нам создавать более эффективные и безопасные дроны, также он помог нам помочь выяснить, как летают летучие мыши», - заявил Сун Джо Чунг (Soon-Jo Chung), один из участников проекта.
Чунг, присоединившийся к команде Caltech, разработал робота-летучую мышь вместе с его экс-научным руководителем Алиреза Рамезани (Alireza Ramezani) и Сетом Хатчинсоном (Seth Hutchinson), профессором из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.
Вес робота составляет всего 93 грамма. Внешне он напоминает летучую мышь, по образу и подобию которой и был спроектирован. Размах крыльев - всего 30 сантиметров. Система в процессе полета может изменять форму крыльев за счет складывания или разворачивания «пальцев», изменения формы и положения запястий, ног и плеч. Специалисты считают, что летучая мышь - одно из наиболее (если не самое) сложно организованных животных, способных летать. Крылья летучей мыши могут менять очертания, причем механизм полета включает задействование нескольких типов суставов, способных фиксировать кости и мускулы или, наоборот, увеличивать количество свобод составляющих крыло костей.
Принцип полета рукокрылых значительно отличается от принципа полета птиц Главная особенность заключается в гибкости и податливости крыла рукокрылых. Сильный изгиб крыла во время его хода вниз даёт гораздо большую подъёмную силу и сокращает затраты энергии, если сравнивать рукокрылых с птицами. При полете, во время движения крыла вниз у его передней кромки образуется завихрение воздуха, которое, по словам ученых, обеспечивает до 40% подъемной силы крыла. Поток воздуха начинается у передней кромки крыла, затем обходит его и снова возвращается во время обратного движения крыла вверх. Все это стало возможным за счет гибкости крыла, поскольку изгиб его позволяет держать завихрение вблизи поверхности крыла.
Для того, чтобы робот мог летать, разработчики создали сложную аппаратно-программную систему. Данные об окружающей среде, собираемые дроном в процессе полета, обрабатываются в режиме реального времени. Контролирующее ПО получает эти данные и координирует работу дрона. Все это работает в автономном режиме, без участия оператора
Скелетно-мышечная система крыльев летучей мыши может совершать более 40 движений в различных направлениях. «Результат нашей работы - один из наиболее совершенных на данный момент дизайн крыльев робота с морфологией летучей мыши, причем этот робот может лететь в автономном режиме», - заявил Рамезани. Конечно, этому роботу еще довольно далеко до реальной летучей мыши, которая прямо в воздухе может настичь насекомое, облететь вокруг него, схватить и съесть. Такая маневренность - дело будущего, хотя и довольно близкого.
И действительно, крылья робота могут менять форму подобно тому, как это делают владельцы «прототипов». Сделать крыло подобного типа довольно сложно, для этого необходимо отлично разбираться в анатомических особенностях строения скелетно-мышечного аппарата летучих мышей. В качестве альтернативного коже материала инженеры создали пленку с толщиной всего 56 микрон, основой которой является силикон. Этот материал может растягиваться и сжиматься, почти так же хорошо, как и кожа, обтягивающая крылья летучих мышей.
По словам разработчиков, летающие роботы-летучие мыши могут быть гораздо более энергоэффективными, чем обычные летательные аппараты. Роботы такого типа можно будет использовать в качестве альтернативы дронам. Причем, в отличие от большинства дронов, искусственные летучие мыши смогут быстрее менять направление полета. Плюс ко всему, они не будут такими опасными для человека (в плане возможности нанесения травм), как те же коптеры.
Одной из наиболее сложных задач, с которыми сталкиваются разработчики автономных роботов, является оперативное составление карты незнакомой местности в ходе первого прохождения по ней. Но с подобной задачей легко справляются, например, летучие мыши, используя эхолокацию, или ориентировку в пространстве при помощи звуков.
Эхолокация в природе - одна из самых впечатляющих , основанная на отражении звуковых волн и их восприятии живыми организмами. Её используют , землеройки, ночные бабочки совки, некоторые ластоногие и даже птицы. Благодаря этим способностям животные с лёгкостью ориентируются там, где мало или и вовсе нет солнечного света.
Теперь, благодаря усилиям команды израильских инженеров из Тель-Авивского университета, работающей во главе с Итамаром Элиакимом (Itamar Eliakim), эхолокация помогает покорять неизведанные пространства и новому автономному роботу. За основу ими был взят принцип, который используют в навигации летучие мыши. Название устройство получило соответствующее - Robat.
Летучие мыши посылают ультразвуковой сигнал, неслышный для человеческого уха, и улавливают отражённое от препятствий эхо. При этом они всегда точно знают, где ветка, где насекомое, а где глухая стена. Предыдущие попытки использовать эхолокацию в робототехнике сводились к установке сонаров - технических устройств, которые помогают обнаруживать различные объекты под водой. Навигационное оборудование Robat отличается от прежних технологических решений и подражает биологическим особенностям именно рукокрылых.
Новый робот оснащён ультразвуковым динамиком, который издаёт сигналы в том же частотном диапазоне, что и летучие мыши (примерно от 20 до 120 кГц). Кроме того, устройство имеет два ультразвуковых микрофона, имитирующих уши животных. Робот перемещается по незнакомой ему среде, используя для этого только отражённый звуковой сигнал.
Он определяет границы объектов, которые встречаются на пути и классифицирует их с помощью . В итоге в "мозге" машины формируется подробная карта окружающей среды. Например, в ходе одного из тестов, робот успешно определял, была ли на его пути непроходимая стена или растение, через которое он мог пройти.
Подробное описание перспективного изобретения было опубликовано авторами в издании PLOS Computational Biology.
Кстати, Robat - это не первое устройство, вдохновлённое способностями летучих мышей. Ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.сайт) уже писали и о представленных другими командами и . Правда, эхолокацией эти устройства похвастаться не могли.
