Търкалящите се из пустините плевелни кълбета са вдъхновили инженерите да проектират нов вид изследователски роботи за проучвания на тежки терени. Те съчетали начина, по който плевелите се търкалят из полята, с активно квадрокоптерно управление, предлагайки нова парадигма за енергийно ефективно наземно проучване.
В настоящите наземни изследвания липсват системи, които използват вятъра за движение. Ала учените намерили на съвсем необичайно място вдъхновение за своя хибриден енергийно ефективен механизъм за всъдеход за изследователски системи, наречен HERMES.
„Вдъхновението дойде в един ветровит зимен следобед край бреговете на езерото Нюшател“, разказва Санджай Манохаран, докторант в Лабораторията за напреднали технологии за производство на Политехническия институт в Лозана в Швейцария, и водещ автор на изследването.
„Гледах как кайтсърфистите използват вятъра, за да прорязват широки дъги и да се издигат с лекота… Осъзнах, че природата вече е усъвършенствала това изкуство много преди нас“, споделя той.
Вниманието на Манохаран се насочило към търкалящите се плевели, бутани от вятъра, които прекосяват огромни пустинни разстояния, използвайки само въздушните пориви. Структурата им също така им позволява да разпространяват семена, докато се движат по неравния терен.
Това повдигнало една завладяваща научна загадка: тези хаотични топки от клонки генерират по-голямо съпротивление от твърдите сфери. Манохаран се запитал как се случва движението?
Аеродинамика на търкалящите се плевели
Изследователите започнали с използване на изчислителна динамика на флуидите и експерименти в аеродинамичен тунел, за да изучат движението на търкалящите се растения, които всъщност са водорасли. Те открили неизвестна досега структурна характеристика.
Търкалящите се водорасли притежават вертикален градиент на порьозност, с приблизително 60% порьозност в горната част и 40% в долната част. Тази асиметрия променя фундаментално натиска, който вятърът оказва върху тъканта.
Оказало се, че при ветрове от 12 м/с търкалящите се водорасли генерират 50% по-голямо съпротивление от твърдите сфери.
Дизайн, вдъхновен от природата
Изследователите проектирали леки сферични обвивки по подобие на тези на търкалящите се плевели.
Новият вид сфера, вдъхновен от биологията, превъзхождал както естествените търкалящи се плевели, така и твърдите сфери, търкаляйки се без усилие при скорост на вятъра от само 1 м/с и генерирайки значително по-високи сили на съпротивление.
„Структурата трябваше да бъде достатъчно здрава, за да издържи на търкаляне и удари, достатъчно пореста, за да генерира съпротивление за пасивно движение, и все пак достатъчно просторна, за да побере сензори или задвижваща система“, споделя Манохаран.
„Постигането на този баланс изискваше персонализирано изчислително моделиране“, допълва изследователят.
Натоварена с полезни товари, няколко пъти по-големи от собственото си тегло, сферата се оказала способна да се изкачва по стръмни склонове, предавайки данни за околната среда на дълги разстояния и наслагвайки ги в карта на база на GPS координати.
Хибридният подход
Докато пасивното движение, базирано на вятъра, предлага несравнима енергийна ефективност, то има и едно критично ограничение: стагнация. „Когато вятърът отслабне или теренът стане сложен, те остават на място“, отбелязва Манохаран.
За да се справи с това, екипът вградил лек квадрокоптер в порестата сфера. Системата работи в четири режима: въртене за преориентация на терена, въртене за промяна на посоката, плъзгане за движение на нивото на земята и въздушен режим за преодоляване на препятствия.
„Ако духа вятър и роботът се търкаля, той остава напълно пасивен, като не изразходва енергия,“ казва Манохаран. „Ако движението спре за определен период, той се опитва да направи нискоенергиен тласък – бърз двигателен импулс за промяна на позицията. Полетът винаги е крайна мярка“.
Лабораторните тестове демонстрирали забележителна ефективност. В експерименти с навигация в лабиринти, HERMES консумира 48% по-малко енергия, отколкото би употребявал при активния контрол (26 mWh срещу 50 mWh), като същевременно завършва курса с 37% по-бързо (105 секунди срещу 166 секунди).
Кратки импулси на работа на двигателя от само 0,25 до 0,5 секунди позволяват корекции на курса от 25 до 50 градуса с 90 до 95% икономия на енергия.
Приложения
Изследователите предвиждат HERMES да позволи теренни изследвания, картографиране след бедствия и откриване на противопехотни мини. На Марс търкаляни от вятъра „рояци от хибридни роботи биха могли да извършват широкообхватни „биомаркерни“ обиколки.
„Настоящите мисии разчитат до голяма степен на внимателно планиране – не е практично един всъдеход да изследва огромни райони“, обяснява изследователският екип.
На Земята роботите биха могли да картографират терени след бедствия, включително в райони с висока радиация, без да рискуват човешки живот, или да се носят над минни полета, за да сигнализират за опасности.
Полевите тестове покават, че машинките се справят изненадващо добре със скали и корени само със силата на вятъра, образувайки GPS мрежи за предаване на геомаркирани данни. Има само едно неочаквано ограничение: високата трева. Но и това може да се преодолее, убеден е Манохаран.
