Исследователи из Вашингтонского университета разработали небольшие роботизированные устройства, которые могут изменять способ перемещения в воздухе, «защелкиваясь» в сложенном положении во время спуска. Здесь показана замедленная фотография «микрофлаера», падающего в развернутом состоянии, из-за чего он хаотично кувыркается и разлетается по ветру. Фото Марка Стоуна/Вашингтонский университет

Роджер Ван Скайок

Прохладным днем ​​в самом сердце кампуса Вашингтонского университета осень на несколько мимолетных мгновений кажется наступившей рано. Крошечные золотые квадраты, напоминающие листья, порхают, а затем падают, переходя от бешеного падения к грациозному падению с щелчком.

Метко названные «микрофлайеры» и вдохновленные Миура-складка оригами, эти небольшие роботизированные устройства могут складываться во время спуска после падения с дрона. Это «щелкающее» действие меняет способ их расселения и может в будущем помочь изменить подходы ученых к изучению сельского хозяйства, метеорологии, изменения климата и многого другого.

«В природе вы видите, как листья и семена расходятся только одним способом», — сказал Кайл Джонсон, доктор философии школы Аллена. студент и первый соавтор статья по теме опубликовано в Научная робототехника. «Нам удалось создать структуру, которая может действовать двумя разными способами».

В раскрытом состоянии устройства хаотично кувыркаются, имитируя падение листа вяза. В сложенном состоянии они падают более устойчиво, подобно тому, как кленовый лист падает с ветки. С помощью ряда методов — встроенного датчика давления, таймера или сигнала Bluetooth — исследователи могут контролировать, когда устройства переходят из открытого состояния в закрытое, и при этом управлять тем, насколько далеко они распространяются по воздуху.

Как они могли этого добиться? Читая между строк.

«Складка оригами Миура-ори, вдохновленная геометрическими узорами листьев, позволяет создавать структуры, которые могут «переключаться» между плоским и более сложенным состоянием», — сказал состарший автор. Викрам Айерпрофессор школы Аллена и содиректор Компьютеры для окружающей среды (CS4Env). «Поскольку для переключения между состояниями требуется только энергия, мы начали изучать это как энергоэффективный способ изменения площади поверхности в воздухе, интуитивно понимая, что открытие или закрытие парашюта изменит скорость падения объекта».

Эта энергоэффективность является ключом к возможности работать без батарей и уменьшению размера и веса летательных аппаратов. Оснащенные безбатарейным приводом и схемой сбора солнечной энергии, микрофлайеры обладают функциями энергосбережения, которых нет у более крупных и тяжелых аналогов с батарейным питанием, таких как дроны. Тем не менее, они достаточно прочны, чтобы нести датчики ряда показателей, включая температуру, давление, влажность и высоту. Исследователи говорят, что помимо измерения атмосферных условий сеть этих устройств может помочь составить картину роста сельскохозяйственных культур на сельскохозяйственных угодьях или обнаружить утечки газа вблизи населенных пунктов.

«Этот подход открывает новое пространство для дизайна микрофлаеров с помощью оригами», — сказал он. Шьям Голлакотапрофессор школы Аллена, финансируемый Томасом Дж. Кейблом, и директор школы Лаборатория мобильной разведки который также был состаршим автором. «Мы надеемся, что эта работа станет первым шагом на пути к будущему созданию нового класса летательных аппаратов и способов полета».

При весе менее полграмма микрофлайеры требуют меньше материала и стоят дешевле, чем дроны. Они также дают возможность отправиться туда, куда человеку слишком опасно ступить.

Например, по словам Джонсона, микрофлайеры можно использовать для отслеживания лесных пожаров. В настоящее время пожарные команды иногда спускаются по веревке к месту распространения огня. Микрофлаеры могут помочь определить, куда может двигаться пожар и где лучше всего сбросить воду. Кроме того, команда работает над тем, чтобы сделать больше компонентов устройства биоразлагаемыми на случай, если их невозможно будет восстановить после выпуска.

«Предстоит большая работа над тем, чтобы сделать эти схемы более устойчивыми», — сказал Висенте Арройос, еще один доктор философии школы Аллена. студент и первый соавтор статьи. «Мы можем использовать наша работа над биоразлагаемыми материалами чтобы сделать их более устойчивыми».

Помимо повышения устойчивости, исследователи также решили проблемы, связанные со структурой самого устройства. Ранним прототипам не хватало корней из углеродного волокна, которые обеспечивали жесткость, необходимую для предотвращения случайных переходов между состояниями.

При разработке микрофлаеров исследовательская группа черпала вдохновение из листьев вяза и клена. В раскрытом состоянии устройства хаотично кувыркаются, подобно тому, как падает с ветки лист вяза. Когда они «зафиксированы» в сложенном положении, как показано здесь, они опускаются более устойчиво и прямо вниз, как кленовый лист. Фото Марка Стоуна/Вашингтонский университет

Собирая листья клена и вяза за пределами своей лаборатории, исследователи заметили, что, хотя их структуры оригами демонстрировали бистабильность, необходимую для переключения между состояниями, они слишком легко сгибались и не имели жилкования, наблюдаемого в найденной листве. Чтобы получить более детальный контроль, они воспользовались еще одним сигналом из окружающей среды.

«Мы снова обратились к природе, чтобы сделать грани оригами плоскими и жесткими, добавив к структуре узор в виде вен с помощью углеродного волокна», — сказал Джонсон. «После этой модификации мы больше не видели, как большая часть вкладываемой нами энергии рассеивается на лицах оригами».

В общей сложности, по оценкам исследователей, разработка их конструкции заняла около двух лет. Они добавили, что еще есть куда расти, отметив, что нынешние микрофлаеры могут только перейти от открытого к закрытому виду. Они заявили, что новые конструкции, предлагающие возможность переключения между состояниями, могут обеспечить большую точность и гибкость в том, где и как они используются.

Во время испытаний, например, при падении с высоты 40 метров микрофлайеры могли разлететься на расстояние до 98 метров при легком ветре. Дальнейшие усовершенствования могут увеличить зону покрытия, что позволит им следовать более точным траекториям, учитывая такие переменные, как ветер и ненастные условия.

Связано с их предыдущей работой с датчики в стиле одуванчикаМикрофлаеры-оригами основываются на более широкой цели исследователей — создании Интернета вещей, вдохновленных биологией. В то время как устройства, вдохновленные одуванчиками, имели пассивный полет, отражающий способ, которым семена одуванчика разносятся ветром, микрофлайеры-оригами функционируют как полноценные роботизированные системы, которые включают в себя приведение в действие для изменения их формы, активную и двунаправленную беспроводную передачу через бортовое радио. а также бортовые вычисления и датчики для автономного запуска изменения формы при достижении целевой высоты.

«Благодаря своим размерам и возможностям сбора энергии эта конструкция также может вместить дополнительные датчики и полезную нагрузку», — сказал Арройос. «Приятно думать о неиспользованном потенциале этих устройств».

Другими словами, будущее быстро обретает форму.

«Оригами вдохновлено природой», — добавил Джонсон, улыбаясь. «Эти закономерности окружают нас повсюду. Нам просто нужно искать в нужном месте».

Проект представлял собой междисциплинарную работу команды Университета штата Вашингтон. В число соавторов статьи также вошли Амели Ферран, доктор философии. студент машиностроительного факультета, а также Рауль ВильянуэваДеннис Инь и Тилбун Эльберьекоторые внесли свой вклад в качестве студентов, изучающих электротехнику и вычислительную технику, и профессоров машиностроения. Альберто Алиседа и Сойер Фуллер.

Джонсон и Арройос, соучредители и в настоящее время возглавляющие образовательную некоммерческую организацию. AVELA – видение инженерной грамотности и доступаи их товарищи по команде провели разъяснительную работу в школах K-12 штата Вашингтон, связанную с исследованием, в том числе показали учащимся, как создать свою собственную бистабильную структуру оригами из листьев, используя лист бумаги. Проверить соответствующее демонстрационное видео здесьи узнайте больше о проект микрофлаера здесь и в связанном с этим Выпуск новостей UW и История GeekWire.