حشره رباتیک می تواند به گرده افشانی کمک کند

با یک روش کارآمدتر برای گرده افشانی مصنوعی، کشاورزان در آینده می توانند میوه ها و سبزیجات را در انبارهای چند سطحی پرورش دهند و در عین حال برخی از اثرات مضر کشاورزی بر محیط زیست را کاهش دهند.

برای کمک به تحقق این ایده، محققان MIT در حال توسعه حشرات روباتیکی هستند که می توانند روزی از کندوهای مکانیکی بیرون بیایند و گرده افشانی دقیق را به سرعت انجام دهند. با این حال، حتی بهترین ربات های هم اندازه با گرده افشان های طبیعی مانند زنبورها در مورد استقامت، سرعت و مانورپذیری همخوانی ندارند.

اکنون، محققان با الهام از آناتومی این گرده افشان های طبیعی، طراحی آن ها را برای تولید ربات های کوچک هوایی که بسیار چابک تر و بادوام تر از نسخه های قبلی هستند، تغییر داده اند.

ربات های جدید می توانند حدود 1000 ثانیه شناور باشند، که بیش از 100 برابر بیشتر از آنچه قبلاً نشان داده شده است. این حشره رباتیک که وزن آن کمتر از یک گیره کاغذ است، می تواند به طور قابل توجهی سریعتر از ربات های مشابه پرواز کند و در عین حال مانورهای آکروباتیکی مانند تلنگرهای هوایی دوبل را انجام دهد.

این ربات بازسازی شده برای افزایش دقت و چابکی پرواز طراحی شده است و در عین حال استرس مکانیکی روی خمیدگی بال های مصنوعی خود را به حداقل می رساند، که امکان مانورهای سریع تر، افزایش استقامت و طول عمر بیشتر را فراهم می کند.

طراحی جدید همچنین فضای خالی کافی دارد که ربات می تواند باتری ها یا حسگرهای کوچکی را حمل کند که می تواند به تنهایی در خارج از آزمایشگاه پرواز کند.

"میزان پروازی که ما در این مقاله نشان دادیم احتمالاً بیشتر از کل پروازی است که میدان ما توانسته است با این حشرات رباتیک انباشته کند. با افزایش طول عمر و دقت این ربات، ما به برنامه های بسیار هیجان انگیز نزدیک می شویم. کوین چن، دانشیار دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS)، رئیس بخش رباتیک نرم و میکرو می گوید، مانند گرده افشانی کمکی. آزمایشگاهی در آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک (RLE) و نویسنده ارشد مقاله با دسترسی آزاد در مورد طراحی جدید.

سوهان کیم و یی-هسوان هسیائو، که دانشجویان کارشناسی ارشد EECS هستند، به چن در مقاله پیوسته است. و همچنین دانشجوی فارغ التحصیل EECS ژیجیان رن و دانشجوی تابستانی جیاشو هوانگ. این تحقیق امروز در Science Robotics ظاهر می شود.

تقویت عملکرد
نسخه های قبلی این حشره روباتیک از چهار واحد یکسان، هر کدام با دو بال تشکیل شده بود که در یک دستگاه مستطیلی به اندازه یک میکروکاست ترکیب شده بودند.

چن می گوید: "اما هیچ حشره ای وجود ندارد که هشت بال داشته باشد. در طراحی قدیمی ما، عملکرد هر واحد جداگانه همیشه بهتر از ربات مونتاژ شده بود."

این افت عملکرد تا حدی ناشی از چینش بالها بود که هنگام تکان دادن هوا به یکدیگر می دمد و نیروهای بالابری را که می توانستند ایجاد کنند کاهش می داد.

طراحی جدید ربات را از وسط نصف می کند. هر یک از چهار واحد یکسان اکنون دارای یک بال تکان دهنده هستند که از مرکز روبات دورتر است، بال ها را تثبیت می کند و نیروهای بالابر آنها را تقویت می کند. با نصف تعداد بال، این طرح همچنین فضا را آزاد می کند تا ربات بتواند وسایل الکترونیکی را حمل کند.

علاوه بر این، محققان انتقال دهنده های پیچیده تری ایجاد کردند که بال ها را به محرک ها یا ماهیچه های مصنوعی متصل می کند که آنها را تکان می دهد. این گیربکس های بادوام که نیاز به طراحی لولاهای بلندتر بال داشتند، فشار مکانیکی را که استقامت نسخه های گذشته را محدود می کرد کاهش می دهد.

چن می گوید: «در مقایسه با ربات قدیمی، اکنون می توانیم گشتاور کنترلی سه برابر بیشتر از قبل تولید کنیم، به همین دلیل است که می توانیم پروازهای مسیریابی بسیار پیچیده و بسیار دقیق انجام دهیم.

با این حال، حتی با وجود این نوآوری های طراحی، هنوز فاصله ای بین بهترین حشرات روباتیک و حشرات واقعی وجود دارد. به عنوان مثال، یک زنبور فقط دو بال دارد، اما می تواند حرکات سریع و بسیار کنترل شده را انجام دهد.

او می گوید: "بال های زنبورها به خوبی توسط مجموعه ای از ماهیچه های بسیار پیچیده کنترل می شوند. این سطح از تنظیم دقیق چیزی است که واقعاً ما را مجذوب خود می کند، اما هنوز نتوانسته ایم آن را تکرار کنیم."

فشار کمتر، نیروی بیشتر
حرکت بال های ربات توسط ماهیچه های مصنوعی هدایت می شود. این محرک های کوچک و نرم از لایه هایی از الاستومر ساخته شده اند که بین دو الکترود نانولوله ای کربنی بسیار نازک قرار گرفته و سپس به شکل یک استوانه ی خمیده در می آیند. محرک ها به سرعت فشرده و کشیده می شوند و نیروی مکانیکی ایجاد می کنند که بال ها را تکان می دهد.

در طراحی های قبلی، زمانی که حرکات محرک به فرکانس های بسیار بالایی که برای پرواز لازم است می رسد، دستگاه ها اغلب شروع به کمانش می کنند. که باعث کاهش قدرت و کارایی ربات می شود. گیربکس های جدید این حرکت خمشی-کمانشی را مهار می کنند، که فشار روی ماهیچه های مصنوعی را کاهش می دهد و آن ها را قادر می سازد تا نیروی بیشتری برای تکان دادن بال ها اعمال کنند.

طراحی جدید دیگر شامل یک لولای بال بلند است که استرس پیچشی ایجاد شده در حین حرکت بال زدن را کاهش می دهد. ساخت لولا که حدود 2 سانتی متر طول اما فقط 200 میکرون قطر دارد، یکی از بزرگترین چالش های آنها بود.

چن می گوید: «اگر در طول فرآیند ساخت مشکلی در تراز کوچک داشته باشید، لولای بال به جای مستطیل، مایل می شود که بر حرکت شناسی بال تأثیر می گذارد».

پس از تلاش های فراوان، محققان یک فرآیند برش لیزری چند مرحله ای را کامل کردند که آنها را قادر می سازد تا به طور دقیق هر لولای بال را بسازند.

با قرار گرفتن هر چهار واحد، حشره رباتیک جدید می تواند بیش از 1000 ثانیه که معادل تقریباً 17 دقیقه است، بدون هیچ گونه کاهش دقت پرواز، شناور بماند.

چن می گوید: "زمانی که شاگردم نمو در حال انجام آن پرواز بود، گفت که این آهسته ترین 1000 ثانیه ای بود که در تمام عمرش سپری کرده بود. این آزمایش به شدت اعصاب خردکن بود."

سریع ترین محققان پرواز گزارش داده اند که ربات جدید در حین انجام چرخش های بدن و چرخش های مضاعف به سرعت متوسط \u200b\u200b35 سانتی متر در ثانیه دست یافته است. حتی می تواند مسیری را که MIT را می نویسد به طور دقیق ردیابی کند.

او می گوید: «در پایان روز، ما پروازی را نشان داده ایم که 100 برابر طولانی تر از هر فرد دیگری در این زمینه است، بنابراین این یک نتیجه بسیار هیجان انگیز است.

از اینجا، چن و شاگردانش می خواهند ببینند که تا چه حد می توانند این طراحی جدید را با هدف دستیابی به پرواز برای بیش از 10000 ثانیه پیش ببرند.

آنها همچنین می خواهند دقت ربات ها را بهبود بخشند تا بتوانند فرود بیایند و از مرکز یک گل بلند شوند. در درازمدت، محققان امیدوارند باتری ها و حسگرهای کوچکی را روی ربات های هوایی نصب کنند تا بتوانند در خارج از آزمایشگاه پرواز کرده و حرکت کنند.

چن می گوید: "این پلت فرم جدید ربات نتیجه اصلی گروه ما است و به مسیرهای هیجان انگیز زیادی منتهی می شود. به عنوان مثال، ترکیب حسگرها، باتری ها و قابلیت های محاسباتی در این ربات در سه تا پنج سال آینده تمرکز اصلی خواهد بود."

این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده و یک کمک هزینه تحصیلی ریاضی انجام می شود.

منبع: موسسه فناوری ماساچوست