Микрофлайеры на солнечных батареях для роевых исследований

Микрофлаеры, или миниатюрные беспроводные роботы, развернутые в больших количествах, сегодня иногда используются для крупномасштабного наблюдения и мониторинга, например, в экологических или биологических исследованиях. Благодаря способности летательных аппаратов рассеиваться в воздухе, они могут рассредоточиться и покрыть большие площади после сброса из одного места, в том числе в местах, куда в противном случае доступ затруднен. Кроме того, они меньше, легче и дешевле в развертывании, чем несколько дронов.

Одной из проблем создания более эффективных микрофлайеров является снижение энергопотребления. Один из способов сделать это, как считают исследователи из Вашингтонский университет (ВВ) и Гренобльский университет Альп продемонстрировали, это избавиться от батареи. Вдохновленные японским искусством складывания бумаги (оригами), они разработали программируемые микрофлаеры, которые могут рассеиваться на ветру и менять форму с помощью электронного управления. Это достигается с помощью привода на солнечной энергии, который может создавать силу до 200 миллиньютон за 25 миллисекунд.

«Думайте об этих маленьких летательных аппаратах как о сенсорной платформе для измерения условий окружающей среды, таких как температура, освещенность и другие параметры».
—Викрам Айер, Вашингтонский университет

«Самое интересное в этих оригами-проектах то, что мы создали возможность менять форму в воздухе, совершенно без батареек», — говорит Викрам Айер, ученый-компьютерщик и инженер UW, один из авторов. «Это довольно небольшое изменение формы, но оно приводит к очень резким изменениям в поведении при падении… что позволяет нам получить некоторый контроль над тем, как эти штуки летают».

Кувыркающееся и стабильное состояния: А) Микрофлайер-оригами находится в кувыркающемся состоянии и Б) в конфигурации после приземления. При спуске летательный аппарат кувыркается по типичной схеме, изображенной на рисунке C. D) Здесь микропланер оригами находится в состоянии устойчивого спуска. Диапазон мест приземления летательных аппаратов, E, показывает их закономерности рассредоточения после того, как их выпустили из родительского дрона. Висенте Арройос, Кайл Джонсон и Викрам Айер/Вашингтонский университет

Это исследование основано на более ранняя работа опубликованный в 2022 году и демонстрирующий датчики, которые могут рассеиваться в воздухе, как семена одуванчика. «Цель текущего исследования заключалась в том, чтобы развернуть сотни таких датчиков и контролировать место их приземления, чтобы добиться точного развертывания», — говорит соавтор. Шьямнатх Голлакотакоторый возглавляет Лаборатория мобильной разведки в ВУ. Микрофлаеры, каждый весом менее 500 миллиграммов, могут преодолевать почти 100 метров при легком ветре и передавать по беспроводной сети данные о давлении и температуре воздуха через Bluetooth на расстояние до 60 метров. Группа Выводы были опубликованы в Наука Робототехникаранее в этом месяце.

Обнаружив разницу в поведении падения двух состояний оригами, Голлакота говорит: «Когда оно плоское, оно почти похоже на лист, кувыркающийся. [in the] ветер», — говорит он. «Очень небольшое изменение от плоского к небольшому искривлению. [makes] он падает как парашют в очень контролируемом движении». В кувыркающемся состоянии, при боковых порывах ветра, микрофлайеры преодолевают расстояние в три раза большее, чем в стабильном состоянии, добавляет он.

На этом крупном плане микрофлайера видна электроника и схемы на его верхней стороне.Висенте Арройос, Кайл Джонсон и Викрам Айер/Вашингтонский университет

Были и другие системы на основе оригами, в которых использовались, например, двигатели, электростатические приводы, сплавы с памятью формы и электротермические полимеры, но они не решили проблем, стоящих перед исследователями, говорит Голлакота. Один из них заключался в том, чтобы найти золотую середину между приводным механизмом, достаточно сильным, чтобы не менять форму без срабатывания, и в то же время достаточно легким, чтобы поддерживать низкое энергопотребление. Затем ему пришлось произвести быстрый переходный ответ при падении на землю. Наконец, для запуска перехода необходимо было иметь легкое решение для хранения энергии.

На разработку механизма, который Голлакота описывает как «довольно разумный», у них ушёл год. В середине оригами находится стебель, состоящий из соленоидной катушки (катушки, которая действует как магнит, когда через нее проходит ток) и двух маленьких магнитов. Четыре шарнирных стержня из углеродного волокна прикрепляют вынос к краям конструкции. Когда на катушку соленоида подается импульс тока, он толкает магниты друг к другу, заставляя конструкцию принимать альтернативную форму.

Все, что для этого требуется, — это немного энергии, ровно столько, чтобы расположить магниты на нужном расстоянии друг от друга, чтобы магнитные силы работали, — говорит Голлакота. Существует множество тонких и легких солнечных батарей для сбора энергии, которая хранится в небольшом конденсаторе. Схема изготовлена ​​непосредственно на складной конструкции оригами и также включает в себя микроконтроллер, таймер, Bluetooth-приемник, а также датчики давления и температуры.

«Мы можем запрограммировать эти вещи так, чтобы они вызывали изменение формы на основе любой из этих вещей — через определенное время, когда мы посылаем радиосигнал или на высоте. [or temperature] что это устройство обнаруживает», — добавляет Айер. Структура оригами бистабильна, то есть ей не требуется никакой энергии для поддержания формы после изменения.

Исследователи говорят, что их конструкция может быть расширена за счет включения датчиков для различных приложений мониторинга окружающей среды. «Думайте об этих маленьких летательных аппаратах как о сенсорной платформе для измерения условий окружающей среды, таких как температура, освещенность и другие параметры. [and] как они меняются в атмосфере», — говорит Айер. Или они могут разместить на земле датчики для таких задач, как цифровое сельское хозяйство, исследования, связанные с изменением климата, и отслеживание лесных пожаров.

В своем нынешнем прототипе микрофлайеры меняют форму только в одном направлении, но исследователи хотят заставить их перемещаться в обоих направлениях, чтобы иметь возможность переключать два состояния и еще лучше контролировать траекторию. Они также представляют себе рой микролетунов, общающихся друг с другом, контролирующих их поведение и самоорганизующихся в том, как они падают и рассеиваются.