Шмели сумели: робот-насекомое сможет опылять растения и вести разведку
Российским ученым удалось воспроизвести особенности полета шмеля в алгоритме для мини-роботов с машущими крыльями. Это позволяет миниатюрному дрону сохранять устойчивость даже при сильных порывах ветра. Технология может использоваться для выполнения различных задач — от опыления растений до проведения разведки и мониторинга. Эффективность разработки исследователи подтвердили с помощью виртуальной модели. Вместе с тем эксперты отмечают, что для практического применения предстоит решить еще ряд инженерных задач, в частности разработать компактный и легкий источник питания с достаточным запасом энергии.
Алгоритм полета шмеля
Ученые МФТИ и Сколтеха разработали алгоритм стабилизации в воздухе миниатюрных роботов с машущими крыльями. Он копирует особенности полета шмеля и за счет этого сохраняет устойчивость дрона даже при сильных порывах ветра. Благодаря новой технологии подобные устройства смогут решать сложные задачи: проникать в завалы после катастроф, опылять растения в теплицах и вести разведку. Ученые подтвердили устойчивость в испытаниях на цифровой модели.
— Если разработка заинтересует потенциальных заказчиков, мы сможем собрать прототип мини-БПЛА. На это понадобится от полугода. Сейчас подобный прототип есть у китайских разработчиков, однако он отличается низкой устойчивостью в полете. Других готовых решений и комплектующих нет. При этом для создания полноценного аппарата предстоит решить еще ряд технических задач. Самая сложная из них — источник питания, так как батарейки слишком тяжелые. Возможно, решением станет внешнее питание по проводку, — рассказал «Известиям» доцент кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ, руководитель исследовательской группы Центра ИИ Сколтеха Николай Ефанов.
Шмели — одни из самых маневренных насекомых в природе. Они способны мгновенно зависать в воздухе, выполнять резкие развороты практически на месте, переворачиваться и лететь в любом направлении, почти мгновенно ускоряясь и тормозя. Секрет таких возможностей заключается в вихревой аэродинамике: при каждом взмахе крыльев формируются устойчивые вихревые структуры, создающие подъемную силу.
Однако сам по себе машущий полет остается крайне неустойчивым. В природе нервная система шмеля непрерывно обрабатывает сигналы, поступающие от глаз, усиков и органов равновесия, и мгновенно корректирует движения крыльев. При попытке воспроизвести такую аэродинамику в роботе или его цифровой модели эта естественная система стабилизации отсутствует, поэтому аппарат теряет устойчивость даже при незначительных порывах ветра.
В рамках исследования ученые разработали алгоритм стабилизации полета для миниатюрных роботов с машущими крыльями, а также создали вычислительную среду, позволяющую испытывать различные системы управления в условиях порывистого ветра.
— Ранее мы разработали аэродинамическую модель, которая позволяет рассчитывать силы, создаваемые крыльями, и валидировали ее по скоростной видеосъемке полетов шмелей. Разработанный в нашем новом исследовании алгоритм управления позволит проверить гипотезы о том, какие каналы управления и какая сенсорика необходима для стабилизации полета, — сказал доцент Центра технологий материалов Сколтех Дмитрий Коломенский.
Система стабилизации управляет тремя ключевыми параметрами движения крыла: амплитудой взмаха, средним положением траектории и углом поворота крыла вокруг собственной оси. На каждом шаге алгоритм рассчитывает, как изменить эти параметры, чтобы сохранить заданную скорость полета и как можно быстрее вернуть аппарат к устойчивому движению после внешнего возмущения.
Внедрение алгоритма полета шмеля в практику
Эффективность алгоритма проверили в цифровой аэродинамической трубе, где виртуального шмеля запускали с сильным вертикальным порывом ветра. Новый гибридный алгоритм стабилизировал полет даже при ударах, сила которых в полтора раза превышала собственный вес управляемого объекта. Время стабилизации в таких условиях составило от трех до шести секунд.
— Наш метод позволяет роботу сохранять устойчивый полет в гораздо более широком диапазоне условий. Это особенно важно для микроустройств, которым предстоит работать в экстремальной среде: между деревьями, внутри зданий, в поисково-спасательных операциях, при мониторинге инфраструктуры или опылении растений в теплицах, — добавил Николай Ефанов.
Стабильность, которую удалось воспроизвести на основе аэродинамики шмеля, — это главный шаг от красивой модели к реально полезному микророботу, отметил эксперт рынка НТИ «Аэронет» Артем Богатырев. Для таких аппаратов важно уметь быстро восстанавливать равновесие после внешнего воздействия, например порыва ветра, сдвига воздуха, столкновения с препятствием. Чем устойчивее полет, тем выше шанс, что робот сможет выполнять задачу не только в идеальных лабораторных условиях, но и в реальной среде.
— У таких дронов очень широкий диапазон применения. Насекомоподобные роботы особенно интересны там, где нужно проникать в узкие или опасные пространства — в завалы после аварий, внутрь разрушенных зданий, в плотную растительность, в теплицы или другие труднодоступные зоны. Более крупные крылатые роботы уже могут решать задачи мониторинга, наблюдения, поиска, а также переносить более тяжелую полезную нагрузку. То есть маленькие версии хороши для разведки и работы в ограниченном пространстве, а более крупные — для задач, где важны дальность, устойчивость и возможность нести датчики или оборудование, — полагает он.
Сама идея робошмеля хороша тем, что открывает сразу несколько вариантов применения — от миниатюрной точечной работы до более серьезных прикладных сценариев, подчеркнул эксперт.
Аэродинамика летающих насекомых для создания БПЛА, в отличие от аэродинамики птиц, описана очень слабо. Поэтому работа специалистов МФТИ представляет высокую научную ценность, отметил главный конструктор ЦКБР Дмитрий Кузякин.
— Сейчас предел миниатюризации квадрокоптеров — три дюйма. При меньших размерах их эффективность заметно снижается. Однако использовать в дроне аэродинамику шмеля на практике пока не удается — прежде всего из-за отсутствия малого источника питания, — сказал он.
По словам эксперта, даже если в будущем появятся принципиально новые источники энергии, например ядерные или биологические, останется еще одна серьезная проблема — размещение на борту достаточно производительной системы искусственного интеллекта.
