Исследователи Toyota создали дрон размером с насекомое
Исследователи из Toyota Central R&D Labs создали воздушного робота размером с насекомое с машущими крыльями, работающего с использованием беспроводной радиочастотной технологии. Этот дрон, описанный в статье в Nature Electronics, основан на радиочастотном приемнике энергии с удельной мощностью 4900 Вт/кг.
«Маленькие дроны обычно имеют очень ограниченное время работы из-за их источника питания. Целью нашего недавнего исследования было преодоление этого ограничения. В настоящее время бесконтактные источники питания с использованием электромагнитных волн находят практическое применение в различных продуктах, но неизвестно, насколько они могут применяться в небольших летающих роботах»
Основная цель исследования Одзаки и его коллег заключалась в том, чтобы привести в действие летающего робота размером с насекомое с помощью технологии бесконтактной беспроводной зарядки. Робот, созданный исследователями, по существу состоит из колеблющегося пьезоэлектрического привода, который питается от дипольной антенны на 5 ГГц.
«Летательные аппараты размером с насекомых — полезные инструменты для связи, изучения окружающей среды и исследования замкнутых пространств. Однако отсутствие легких аккумуляторов с высокой плотностью мощности ограничивает продолжительность полета этих микро-летательных аппаратов. Беспроводная передача энергии с использованием радиочастотных электромагнитных волн потенциально может обеспечить пропускаемость через препятствия, возможности наведения/фокусировки волн и немеханическое управление транспортными средствами с помощью фазированных антенных решеток. Но использование радиочастотной передачи энергии до сих пор ограничивалось более крупными транспортными средствами», — говорится в исследовании.
«Одной из ключевых особенностей нашего робота является высокоэффективное срабатывание взмахов, которое достигается за счет использования мощного монокристаллического пьезоэлектрического материала и компоновки с низкими потерями, при которой два крыла обращены друг к другу, словно хлопающие в ладоши. Эта конструкция обеспечивает соотношение мощности и веса, сравнимое с эффективностью живых насекомых»
Ключевой проблемой, с которой сталкиваются инженеры, пытающиеся создать роботов миниатюрного размера, является тепловой разгон, вызванный потерями мощности. Чтобы преодолеть эту проблему, Одзаки и его коллеги оптимизировали конструкцию схемы своего робота, гарантируя, что компоненты, выделяющие тепло, не размещаются близко друг к другу или рядом друг с другом.
Кроме того, исследователи использовали радиочастотный приемник энергии с удельной мощностью, которая значительно выше, чем у стандартных литий-полимерных батарей с аналогичной массой. Это значительно улучшило эффективность и время работы робота.
«Я думаю, что нашим наиболее важным открытием является то, что субграммовая схема может принимать и обрабатывать высокую мощность более 1 Вт на расстоянии через радиочастотную волну. Это говорит о том, что не только летающие роботы, но и различные другие устройства, требующие большой мощности при небольших размерах, могут быть реализованы без батарей»
Чтобы оценить эффективность своей конструкции, Одзаки и его коллеги провели серию экспериментов. В этих тестах они смогли заставить робота размером с насекомое взлетать плавно и без необходимости в батареях или проводах.
Робот, созданный этой командой исследователей, весит всего 1,8 г, то есть он более чем в 25 раз легче, чем другие микро-транспортные средства с радиочастотным приводом, разработанные в прошлом. Таким образом, в будущем он может оказаться очень ценным для выполнения сложных задач, связанных с проникновением в трещины, трубы или другие очень ограниченные пространства.
«В этой статье мы успешно продемонстрировали взлет. Следующим шагом будет объединение этой технологии электропитания с контролем ориентации, чтобы заставить этого робота зависать и свободно перемещаться в воздухе. Мы считаем, что это технически возможно, поскольку нам уже удалось контролировать положение робота с помощью проводного питания»
Микро-летательные аппараты (MAV) потенциально могут использоваться для зондирования окружающей среды, связи, поиска и спасения, а также для автономной инспекции замкнутых или опасных зон. Однако правила таких устройств ужесточаются из-за риска аварий. К примеру, в США дроны весом более 250 г должны быть зарегистрированы, а районы полетов дронов строго ограничены.
Япония недавно также объявила, что пороговый вес малых дронов будет снижен с 200 до 100 г. В частности, поскольку энергия столкновения падающего летательного аппарата сильно зависит от его массы, безопасность MAV может быть повышена за счет проектирования и разработки легких устройств размером с насекомых.
Исследователи считают, что полностью функциональный непривязанный MAV с массой насекомых может быть реализован путем оптимизации конструкции транспортного средства и добавления новых функций. К ним относятся интеграция системы управления полетом и использование системы фокусировки/наведения луча для передатчика энергии.
