2020-12-09: Zbudowano prototyp mikropojazdu powietrznego zdolny do lotu po kolizji

środa, 9 grudnia 2020

Dwóch naukowców z Konkuk University w Korei Południowej, Hoang Vu Phan i Hoon Cheol Park, zbudowało mikropojazd powietrzny (MAV, micro air vehicle) zdolny do wznowienia lotu po zderzeniu z obiektami w powietrzu. Wzorcem dla konstrukcji MAV jest morfologia skrzydeł chrząszczy z podrodziny rohatyńcowatych, a dokładnie japońskiego rohatyńca dwurożnego. Mają one twarde, przypominające muszle skrzydła przednie używane do ochrony (pokrywy, elytrae) oraz tylne skrzydła służące do lotu. Podstawą dla konstrukcji były badania wykazujące, że chrząszcze potrafią latać po zderzeniu w powietrzu.

Phan i Park zbadali pracę skrzydeł chrząszczy podczas lotu za pomocą systemu wielu szybkich kamer (high-speed multicamera system), dzięki którym można było uchwycić szczegóły, oglądając obraz w zwolnionym tempie. W ramach eksperymentu na trasie lotu chrząszczy ustawiono pionowe słupki z rurek węglowych, na które wpadały owady. Odkryli, że ważną do utrzymania lotu jest morfologia tylnych skrzydeł chrząszczy. Każde skrzydło ma konstrukcję przypominającą fałdy origami, która składa się w okresach spoczynku i rozciąga podczas lotu. Zauważono przy tym, że tylne skrzydła działają jak amortyzator – struktura „origami” częściowo składa się, gdy skrzydła wejdą w kontakt z przedmiotem. Przy zderzeniu chrząszcz używa nóg i skrzydeł, aby wyprostować się przed wznowieniem lotu. Owady przykucają nogami na przeszkodzie, jeśli uderzą w nią wewnętrznym, sztywnym segmentem tylnego skrzydła. Jeśli jednak nastąpi styczność zewnętrznego, składanego segmentu skrzydła, lot jest kontynuowany. Wtedy skrzydło składa się i następnie odskakuje z powrotem do pozycji rozciągniętej po minięciu przeszkody.

Naukowcy z Konkuk University dzięki swym badaniom nad kinematyką skrzydeł chrząszczy zaprojektowali nowy typ mikropojazdu powietrznego, który mógł utrzymać lot po kolizji z pojazdami typu MAV lub innymi obiektami, uzyskując przy tym większą odporność na zderzenia. Celem tych eksperymentalnych badań jest tworzenie mikropojazdów powietrznych szybko składających skrzydła i odpornych na działanie wiatru. We wcześniejszych konstrukcjach MAV także używano struktur "origami", ale stosowane były one w funkcji skakania i szybowania.

Praca Phana i Parka porównywana jest, podobnie jak w przypadku innych naukowców zajmujących się MAVami, do dzieł Leonardo da Vinci, który tworzył projekty maszyn latających poprzez obserwacje ptaków i nietoperzy. W porównaniu do innych owadów chrząszcze są organizmami, które mogą przemieszczać się za pomocą lotu na duże odległości. W przypadku osobników z gatunku Anoplophora glabripennis może być to nawet kilkanaście kilometrów lotu z prędkością ponad 5 m/s.

Pewnym problemem w implementacji owadzich struktur przy budowie mikropojazdów powietrznych jest kwestia wytrzymałości materiału, szczególnie przy częstych zginaniach segmentów skrzydła. Owady radzą sobie z tym za pomocą rezyliny, specjalnego białka, które występuje w miejscu zgięć skrzydeł i stawach, co pozwala na pochłanianie energii wywołanej przez wibracje.

Źródła

Cabe Atwell – MAVs Adopt Beetle Wings to Recover From Midair Collisions – hackster.io, 8 grudnia 2020
Bob Yirka – Copying beetle wings to design MAVs that can recover from midair collisions – Science X Network, Tech Xplore, 4 grudnia 2020
Hoang Vu Phan, Hoon Cheol Park – Mechanisms of collision recovery in flying beetles and flapping-wing robots – Science, Vol. 370, Issue 6521, pp. 1214-1219, DOI: 10.1126/science.abd3285, 4 grudnia 2020
Jiyu Sun – Miniaturization of robots that fly on beetles' wings – Science, Vol. 370, Issue 6521, pp. 1165, DOI: 10.1126/science.abf1925, 4 grudnia 2020
Hoang Vu Phan, Hoon Cheol Park – Supplementary Materials (14 krótkich filmów ilustrujących lot prototypowego MAV) – Science, Vol. 370, Issue 6521, 4 grudnia 2020