Дослідники Toyota створили дрон розміром з комаху
Дослідники з Toyota Central R&D Labs створили повітряного робота розміром з комаху з махаючими крилами, що працює на безпровідній радіочастотній технології. Цей дрон, описаний у статті в Nature Electronics, базується на радіочастотному приймачі енергії з питомою потужністю 4900 Вт/кг.
«Маленькі дрони зазвичай мають дуже обмежений час роботи через їхнє джерело живлення. Метою нашого недавнього дослідження було подолати це обмеження. Наразі безконтактні джерела живлення з використанням електромагнітних хвиль знаходять практичне застосування в різних продуктах, але невідомо, наскільки вони можуть використовуватися в невеликих літаючих роботах»
Основна мета дослідження Одзакі та його колег полягала в тому, щоб привести в дію летючого робота розміром з комаху за допомогою технології безконтактної безпровідної зарядки. Робот, створений дослідниками, по суті складається з коливного п'єзоелектричного приводу, який живиться від дипольної антени на 5 ГГц.
«Літальні апарати розміром з комах — корисні інструменти для зв'язку, вивчення навколишнього середовища та дослідження закритих просторів. Однак відсутність легких акумуляторів з високою щільністю потужності обмежує тривалість польоту цих мікро-літальних апаратів. Безпровідна передача енергії з використанням радіочастотних електромагнітних хвиль потенційно може забезпечити проходження через перешкоди, можливості наведення/фокусування хвиль і немеханічне керування транспортними засобами за допомогою фазованих антенних решіток. Але використання радіочастотної передачі енергії досі обмежувалося більшими транспортними засобами», — йдеться в дослідженні.
«Однією з ключових особливостей нашого робота є високоефективне спрацьовування взмахів, яке досягається завдяки використанню потужного монокристалічного п'єзоелектричного матеріалу та компонування з низькими втратами, за якого два крила обернені одне до одного, наче плескаючі в долоні. Ця конструкція забезпечує співвідношення потужності та ваги, порівнянне з ефективністю живих комах»
Ключовою проблемою, з якою стикаються інженери, що намагаються створити роботів мініатюрного розміру, є тепловий розгін, спричинений втратами потужності. Щоб подолати цю проблему, Одзакі та його колеги оптимізували конструкцію схеми свого робота, гарантуючи, що компоненти, які виділяють тепло, не розміщуються близько одне до одного або поруч одне з одним.
Крім того, дослідники використали радіочастотний приймач енергії з питомою потужністю, яка значно вища, ніж у стандартних літій-полімерних батарей схожої маси. Це значно покращило ефективність і час роботи робота.
«Я думаю, що нашим найважливішим відкриттям є те, що субграмова схема може приймати і обробляти високу потужність понад 1 Вт на відстані через радіочастотну хвилю. Це свідчить про те, що не лише літаючі роботи, а й різні інші пристрої, що потребують великої потужності при малих розмірах, можуть бути реалізовані без батарей»
Щоб оцінити ефективність своєї конструкції, Одзакі та його колеги провели серію експериментів. У цих тестах їм вдалося змусити робота розміром з комаху злітати плавно й без потреби в батареях чи дротах.
Робот, створений цією командою дослідників, важить лише 1,8 г, тобто він більш ніж у 25 разів легший за інші мікро-транспортні засоби з радіочастотним приводом, розроблені раніше. Таким чином, у майбутньому він може виявитися дуже цінним для виконання складних завдань, пов'язаних із проникненням у тріщини, труби чи інші дуже обмежені простори.
«У цій статті ми успішно продемонстрували злітання. Наступним кроком буде поєднання цієї технології електроживлення з контролем орієнтації, щоб змусити цього робота зависати і вільно рухатися в повітрі. Ми вважаємо, що це технічно можливо, оскільки нам уже вдалося контролювати положення робота за допомогою дротового живлення»
Мікро-літальні апарати (MAV) потенційно можуть використовуватися для зондування навколишнього середовища, зв'язку, пошуку та порятунку, а також для автономного огляду закритих або небезпечних зон. Однак правила для таких пристроїв посилюються через ризик аварій. Наприклад, у США дрони вагою понад 250 г мають бути зареєстровані, а райони польотів дронів суворо обмежені.
Японія нещодавно також оголосила, що порогову вагу малих дронів буде знижено зі 200 до 100 г. Зокрема, оскільки енергія зіткнення падаючого літального апарата сильно залежить від його маси, безпеку MAV можна підвищити шляхом проєктування та розробки легких пристроїв розміром з комах.
Дослідники вважають, що повністю функціональний непривʼязаний MAV масою комахи можна реалізувати шляхом оптимізації конструкції транспортного засобу та додавання нових функцій. До них належать інтеграція системи керування польотом і використання системи фокусування/наведення променя для передавача енергії.
