Beste drones: hoe insecten Zwitserse wetenschappers onderwezen om een ​​betere drone te bouwen

Je zou het kunnen vergeven als je denkt dat de zwaarste, meest duurzame robot een soort van ultra-hard skelet van een metaallegering zou zijn zoals de Terminator, maar soms is zacht en flexibel de juiste keuze.

Deze week publiceerden ingenieurs van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland de resultaten van hun inspanningen om een ​​echt nette, flexibele quadcopter drone in het dagboek te maken Science Robotics.

Zoals een groeiend aantal microrobots dat momenteel in ontwikkeling is, lenen deze drones ook enkele van hun ontwerpelementen uit de lichtgewicht gevouwen architectuur van origami. Maar de onderzoekers vertellen inverse, met één belangrijk verschil: het ontwerp, een nieuwe composiet die flexibel genoeg is om schade te absorberen, maar star genoeg om aerodynamisch te blijven en die werd geïnspireerd door de materiaaleigenschappen van insectenvleugels.

"De meeste origami-structuren zijn gemaakt van onbuigzaam gelamineerd materiaal en stijve gewrichten (dat wil zeggen, niet-uitrekbare gewrichten gemaakt van polyimide of nylon), wat leidt tot beperkingen," zegt Stefano Mintchev, een postdoctoraal onderzoeker aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland. "Onbuigzame origami's zijn kwetsbaar, gevoelig voor scheuren en vallen gemakkelijk uit bij overbelasting tijdens botsingen."

Zhi Ern Teoh, een niet-bekroonde door Harvard opgeleide werktuigbouwkundige die zelf op origami geïnspireerde microrobots heeft ontwikkeld, vertelde omgekeerde hij was onder de indruk van het werk van het Lausanne-team.

"Omdat de hoofdvleugel volledig stijf is, kan de vleugel breken wanneer ze een obstakel raakt", legt Teoh uit. "Wat ze hebben gedaan met het afstemmen van de 'drempelkracht' - de drempel waarbij de overgang van rigide naar zacht plaatsvindt - ik denk dat dat vrij belangrijk is voor structuren die bestand zijn tegen schokken."

De kern van de Zwitserse groep is de innovatie van een uitgerekte elastische laag, een soort van een rubberen band die wanhopig terug wil keren naar vorm. Deze laag wordt dan omgeven en gehecht aan een meer rigide, gesegmenteerd exoskelet. Het lijkt een beetje op een van die opduwende houten poppen die hangen en instorten wanneer je het touwtje erin losmaakt. Bij een botsing buigt de drone zich naar zijn gesegmenteerde gewrichten, waarbij de elastische laag zich uitrekt.Daarna veert het weer in vorm op, klaar om te blijven vliegen.

Natuurlijk kan de constructie ook niet al te flexibel zijn, en het vinden van die delicate balans is waar de materialenbouwexpertise van het EPFL-team kwam.

"Als de drempelkracht te laag is," zegt Teoh, "zal de quadcopter niet kunnen opstijgen, toch? Omdat het moment dat je de volledige stuwkracht inschakelt, de stuwkracht de structuur zal doen instorten. '

Je zou je een stel dingen kunnen voorstellen: de propellers kunnen tegen elkaar botsen; ze zouden de vleugels in verschillende richtingen kunnen trekken, waarbij ze in feite de drone tekenen en in vieren zetten. Het zou eerlijk zijn, een puinhoop. Het vinden van de juiste treksterkte, d.w.z. de drempel waarbij buigen wenselijk zou zijn, nam het bestuderen van vergelijkbare kenmerken in insectenvleugels, volgens Mintchev.

"De uitdaging van het strategisch afstemmen van stijfheid en zachtheid in vouwbare structuren wordt beheerst door insecten", zegt Mintchev. "Hun geëvolueerde origami vleugels zijn samengesteld uit stijve tegels van cuticula verbonden door zachte resilin gewrichten."

Mintchev en de groep zien ook andere toepassingen voor dit ontwerp, waaronder flexibelere grijpmechanismen, waarvoor ze al een prototype hebben gebouwd.

Enkele van de voordelen van dit ontwerp zijn een greep die minder snel iets kwetsbaars zal breken dat het probeert op te pakken, en een greep die niet in staat is iets op te tillen dat zijn capaciteit te boven gaat (alleen om het risico te lopen om het later te laten vallen).

"De huidige trend in robotica is het creëren van zachtere robots", aldus Dario Floreano, directeur van het Laboratorium voor Intelligente Systemen van EPFL en een andere co-auteur van het nieuwe artikel, "die zich aan een bepaalde functie kan aanpassen en veilig naast mensen kan opereren..”

Vriendelijk zijn, op zijn eigen manier, is een teken van kracht - iets waar de hardvochtige Terminator-robots rekening mee moeten houden.