หุ่นยนต์ตัวแรกที่เคลื่อนที่ในอวกาศได้เหมือนค้างคาว ค้างคาวไบโอนิคพิชิตอากาศ: คุณสมบัติการออกแบบวิดีโอของหุ่นยนต์ค้างคาว

เมื่อเร็ว ๆ นี้เราได้พูดคุยเกี่ยวกับความมหัศจรรย์ของเทคโนโลยีเช่นโดรนที่ดัดแปลงให้เป็นน้ำแข็งใสจากใบพัดของกังหันลมที่ผลิตกระแสไฟฟ้า เครื่องที่มีใบพัด 36 ใบสามารถยกสินค้าได้มากถึง 200 กิโลกรัมและทำงานที่ซับซ้อนได้อย่างง่ายดายด้วยกายกรรมที่ระดับความสูงสูง

ต่อไปนี้เป็นวิธีการ:

แต่เครื่องบินลำนี้มีตำหนิร้ายแรงอย่างหนึ่งคือดับไฟแล้วมันจะตกลงมาเหมือนก้อนหิน จะต้องทำอย่างไรเพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้น? คำถามนี้ได้รับคำตอบโดยนักวิทยาศาสตร์ โปรแกรมเมอร์ และวิศวกรที่สร้างไม้เทียมที่จำลองรูปร่างและทักษะการเคลื่อนไหวของค้างคาวจริงๆ

ใครถ้าไม่ใช่ธรรมชาติจะรู้วิธีปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมได้ดีที่สุด? วิวัฒนาการนับล้านปีไม่ได้ไร้ประโยชน์ ยกตัวอย่างค้างคาวตัวเดียวกัน สิ่งมีชีวิต chiropteran นี้เริ่มใช้เรดาร์เพื่อระบุสิ่งกีดขวางได้เร็วกว่า Tesla มาก โดยมองเห็นได้อย่างสมบูรณ์แบบในความมืด ดีกว่ารถยนต์สมัยใหม่ที่ทันสมัยที่สุดหลายร้อยเท่า สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยเหตุการณ์โศกนาฏกรรมล่าสุดที่เกิดขึ้นกับรถยนต์ Volvo ที่ติดตั้ง ระบบอัตโนมัติจาก Uber รถชนคนแต่ไม้ตีไม่โดน

สิ่งมีชีวิตที่น่าสนใจเหล่านี้ยังสามารถบินในพื้นที่จำกัด เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว และนอนคว่ำได้

และทำไมผู้คนไม่พยายามเลียนแบบสิ่งที่ธรรมชาติได้ทำไปแล้ว? ทุกอย่างพร้อมแล้ว

จากมุมมองทางเทคนิค สำหรับวิศวกรรมสมัยใหม่ ไม่มีอะไรยากเป็นพิเศษในการผลิตเครื่องบินไบโอนิค หุ่นยนต์มีชื่ออย่างเป็นทางการว่า "Bionic Flying Fox" ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยมีกรอบน้ำหนักเบาและแทบจะไร้น้ำหนัก โดยกรอบนั้นถูกหุ้มด้วยเมมเบรนเฉพาะสำหรับปีก โดยมีจุดยึด 40,000 จุด ที่ทำให้ "ผิวหนัง" เทียมนั้นมีน้ำหนักเบาและแข็งแรงในเวลาเดียวกัน . แบตเตอรี่ เกียร์ไดรฟ์ และ "สมอง" อิเล็กทรอนิกส์ถูกใส่เข้าไปในตัวเครื่องพลาสติก ซึ่งมีระบบการเรียนรู้แบบอะนาล็อกของเครื่องจักร และสามารถออกคำสั่งสำหรับการบินกึ่งอัตโนมัติได้

ไม่น่าเป็นไปได้ที่หุ่นยนต์ตัวนี้จะเคยเห็นแสงสว่างของวันในแง่ของการใช้งานเชิงพาณิชย์ แต่ตอนนี้ก็แค่นั้นแหละ ด้วยวัสดุง่ายๆ เพียงไม่กี่อย่าง ก็สามารถสร้างเครื่องบินที่ซับซ้อนที่สามารถเลียนแบบการเคลื่อนไหวอันสง่างามของสิ่งมีชีวิตได้สำเร็จ

หนึ่งในความท้าทายที่ยากที่สุดที่นักพัฒนาหุ่นยนต์อัตโนมัติต้องเผชิญคือการสร้างแผนที่อย่างรวดเร็วในพื้นที่ที่ไม่คุ้นเคยในระหว่างการเคลื่อนตัวครั้งแรก แต่งานดังกล่าวสามารถบรรลุผลสำเร็จได้อย่างง่ายดาย เช่น โดยค้างคาว การใช้เสียงสะท้อน หรือการวางแนวเชิงพื้นที่โดยใช้เสียง

การสะท้อนเสียงในธรรมชาติเป็นหนึ่งในสิ่งที่น่าประทับใจที่สุด โดยอาศัยการสะท้อนของคลื่นเสียงและการรับรู้ของสิ่งมีชีวิต มันถูกใช้งานโดยปากร้าย แมลงเม่า แมลงปีกแข็งบางชนิด และแม้แต่นก ด้วยความสามารถเหล่านี้ สัตว์ต่างๆ จึงสามารถนำทางไปยังสถานที่ที่มีแสงแดดน้อยหรือไม่มีเลยได้อย่างง่ายดาย

ขณะนี้ ต้องขอบคุณความพยายามของทีมวิศวกรชาวอิสราเอลจากมหาวิทยาลัยเทลอาวีฟ ซึ่งนำโดย Itamar Eliakim การระบุตำแหน่งด้วยเสียงสะท้อนกำลังช่วยหุ่นยนต์อัตโนมัติตัวใหม่ในการพิชิตพื้นที่ที่ไม่จดที่แผนที่ พวกเขายึดหลักการที่ค้างคาวใช้ในการเดินเรือเป็นพื้นฐาน อุปกรณ์ได้รับชื่อที่เหมาะสม - Robat

ค้างคาวจะส่งสัญญาณอัลตราโซนิกที่ไม่สามารถได้ยินออกไปได้ หูของมนุษย์และรับเสียงสะท้อนที่สะท้อนจากสิ่งกีดขวาง ในเวลาเดียวกัน พวกเขารู้อยู่เสมอว่ากิ่งไม้อยู่ที่ไหน แมลงอยู่ที่ไหน และผนังว่างเปล่าอยู่ที่ไหน ความพยายามในการใช้ตำแหน่งสะท้อนกลับในวิทยาการหุ่นยนต์ก่อนหน้านี้ถูกจำกัดอยู่เพียงการติดตั้งโซนาร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางเทคนิคที่ช่วยตรวจจับวัตถุต่างๆ ใต้น้ำ อุปกรณ์นำทางของ Robat แตกต่างจากโซลูชั่นทางเทคโนโลยีก่อนหน้านี้และเลียนแบบลักษณะทางชีวภาพของค้างคาว

หุ่นยนต์ตัวใหม่นี้ติดตั้งลำโพงอัลตราโซนิกที่ส่งสัญญาณในช่วงความถี่เดียวกันกับค้างคาว (ประมาณ 20 ถึง 120 kHz) นอกจากนี้อุปกรณ์ยังมีไมโครโฟนอัลตราโซนิกสองตัวที่จำลองหูสัตว์ หุ่นยนต์เคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมที่ไม่คุ้นเคยโดยใช้เพียงสัญญาณเสียงที่สะท้อนออกมา

กำหนดขอบเขตของวัตถุที่พบในเส้นทางและจำแนกประเภทโดยใช้ ส่งผลให้ใน”สมอง”ของเครื่องมี แผนที่โดยละเอียด สิ่งแวดล้อม- ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบครั้งหนึ่ง หุ่นยนต์สามารถระบุได้สำเร็จว่ามีกำแพงหรือต้นไม้ที่ไม่สามารถผ่านได้หรือมีต้นไม้อยู่ในเส้นทางที่มันสามารถผ่านไปได้

คำอธิบายโดยละเอียดของสิ่งประดิษฐ์ที่มีแนวโน้มนี้ได้รับการตีพิมพ์โดยผู้เขียนในการตีพิมพ์ PLOS Computational Biology

อย่างไรก็ตาม Robat ไม่ใช่อุปกรณ์ชิ้นแรกที่ได้รับแรงบันดาลใจจากความสามารถของค้างคาว ก่อนหน้านี้ผู้เขียนโครงการ Vesti.Nauka (nauka.site) ได้เขียนเกี่ยวกับสิ่งที่ทีมอื่นนำเสนอและ จริงอยู่อุปกรณ์เหล่านี้ไม่สามารถอวดตำแหน่งทางสะท้อนได้

โลกของสัตว์เต็มไปด้วยแนวคิดที่ผู้เชี่ยวชาญในสาขาวิทยาการหุ่นยนต์ใช้กันอย่างแพร่หลายและประสบความสำเร็จ ตัวอย่างที่ชัดเจนของสิ่งนี้ ได้แก่ หุ่นยนต์ SALTO, Robirds, MuddyBot, WildCat, Octobot และอุปกรณ์หุ่นยนต์ที่ไม่ธรรมดาอื่นๆ อีกมากมาย และเมื่อเร็ว ๆ นี้ซีรีส์นี้ได้รับการเติมเต็มด้วยสมาชิกอีกคนหนึ่งคือ Bat Bot ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ค้างคาวที่สร้างขึ้นโดยผู้เชี่ยวชาญจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียและมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ ปีกที่อ่อนนุ่มของหุ่นยนต์นี้เป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าทั้งสำหรับตัวหุ่นยนต์เองและต่อสิ่งแวดล้อม เมื่อเปรียบเทียบกับใบมีดแข็งของควอดคอปเตอร์และอื่นๆ อากาศยาน- และประการที่สอง หุ่นยนต์ Bat Bot มีความสามารถในการบินที่ยอดเยี่ยมเหมือนกับ "ต้นแบบ" ที่มีชีวิต

จากเงาที่สะท้อนอย่างรวดเร็วกับท้องฟ้าที่มืดมิด เป็นไปไม่ได้ที่จะแยกแยะได้ว่าค้างคาวใช้ระบบกล้ามเนื้อและกระดูกที่ค่อนข้างซับซ้อน ซึ่งช่วยให้พวกมันสามารถแสดงองค์ประกอบทั้งหมดของ "กายกรรมทางอากาศ" ของพวกมันได้ เนื่องจากมีข้อต่อที่เคลื่อนไหวได้สูงบริเวณไหล่และ ข้อต่อข้อศอกเมาส์สามารถเปลี่ยนรูปร่างของปีกได้แบบไดนามิก ปีกของค้างคาวสามารถใช้หนึ่งใน 40 รูปทรงที่รู้จัก ซึ่งแต่ละรูปทรงมีลักษณะแอโรไดนามิกของตัวเอง ซึ่งทำให้สัตว์ตัวนี้สามารถหมุนตัวอย่างรวดเร็วในอากาศและเหวี่ยงขึ้นหรือลงที่สูงชันได้

หุ่นยนต์ Bat Bot ซึ่งมีน้ำหนัก 93 กรัมและมีปีกกว้าง 0.3 เมตร คัดลอกได้อย่างสมบูรณ์แม้กระทั่งตัวที่มากที่สุด คุณสมบัติที่เล็กที่สุดการบินของค้างคาว การบินของหุ่นยนต์ถูกควบคุมโดยอัลกอริธึมที่ซับซ้อนที่ทำงานในคอมพิวเตอร์ออนบอร์ดขนาดเล็กของหุ่นยนต์ ซึ่งช่วยให้หุ่นยนต์บินได้อย่างอิสระโดยสมบูรณ์ด้วยความช่วยเหลือของเซ็นเซอร์ทั้งชุด

ในขณะที่สร้างหุ่นยนต์ Bat Bot นักวิจัยต้องเผชิญกับปัญหาความแข็งแรงของปีกไม่เพียงพอ กลไกของปีกจะต้องเบาและในขณะเดียวกันก็ทนทาน ยืดหยุ่น และเคลื่อนย้ายได้ เพื่อให้สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างของปีกได้อย่างรวดเร็วมากขณะทำการบินหมุนวนในอากาศ แต่นักวิจัยก็สามารถบรรลุผลตามที่ต้องการ ซึ่งในทางกลับกัน ยังเพิ่มประสิทธิภาพการบินของหุ่นยนต์เมื่อเทียบกับค้างคาวที่มีชีวิตอีกด้วย ในระหว่างการบิน เยื่อหุ้มปีกที่บางที่สุดของปีกจะก่อตัวเป็นช่องชนิดหนึ่งซึ่งมี "ส่วน" ของอากาศเข้าไป จากนั้นเมื่อมีการเคลื่อนไหวที่รุนแรง อากาศนี้จะถูกปีกผลักออกไปในทิศทางที่ต้องการ ซึ่งให้แรงยกที่สูงขึ้น หลังจากการทดลองหลายครั้ง ฟิล์มยางซิลิโคนยืดหยุ่นที่บางที่สุด ซึ่งมีความหนาเพียง 54 ไมครอน ได้รับเลือกให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเมมเบรนปีก

Bat Bot ที่มีความคล่องตัวสูงสามารถเข้าถึงสถานที่ที่เครื่องบินขนาดเล็กลำอื่นที่มีโครงสร้างแข็งและใบพัดแข็งไม่สามารถเข้าถึงได้ นอกจากนี้ การใช้วิธี Air Pocket ที่คุ้มค่าจะช่วยให้ Bat Bot อยู่ได้นานกว่าเครื่องบินลำอื่นๆ ที่มีแบตเตอรี่ที่มีความจุเทียบเท่ากัน ทั้งหมดที่กล่าวมาทำให้ Bat Bot เหมาะสำหรับใช้ในสถานการณ์ที่ขอบคมของใบมีดของอุปกรณ์อื่นๆ อาจทำร้ายผู้คนที่ติดอยู่ในภัยพิบัติทางธรรมชาติได้ เป็นต้น หรือสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ที่เปราะบางและมีค่าบางอย่าง

กลุ่มหุ่นยนต์และไซเบอร์เนติกส์จากมหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคแห่งมาดริด (สเปน) นำเสนอ micro-UAV ใหม่ โดรนใช้ระบบนวัตกรรมใหม่ของกล้ามเนื้อเทียมที่ทำจากวัสดุที่สามารถหดตัวและหดตัวในลักษณะเดียวกันกับกล้ามเนื้อของค้างคาว

จนถึงตอนนี้เมาส์เทียมบินเป็นเส้นตรงเท่านั้นและการสั่นสะเทือนของปีกไม่เกิน 4 มม. (นี่คือรูปถ่ายของ Polytechnic University of Madrid)
เรากำลังพูดถึงโดรน BaTboT “หุ่นยนต์เมาส์บิน” มีรายงานว่าอุปกรณ์ขนาดเล็กซึ่งมีรูปทรงของปีกที่สามารถเปลี่ยนได้โดยตรงขณะบิน มีความสามารถในการเคลื่อนที่อย่างมีประสิทธิภาพด้วยความเร็วต่ำ ซึ่งจะช่วยให้บินในพื้นที่จำกัดหรือท่ามกลางสิ่งกีดขวางมากมาย

ปีกของค้างคาว (สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดเดียวที่สามารถบินได้) ประกอบด้วยข้อต่ออิสระมากกว่าสองโหลและมีเมมเบรนบางและยืดหยุ่นเพียงชิ้นเดียวที่ทอดยาวไปทั่วระบบโครงกระดูกของปีก ความคล่องแคล่วอันน่าทึ่งของสัตว์เป็นผลมาจากการกระพือปีกร่วมกับการหดตัวและขยายปีกเดียวกันนี้ขณะบินไปพร้อมกัน ปีกที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่แปรผันดังกล่าวได้รับการปรับปรุงให้สมบูรณ์แบบโดยวิวัฒนาการมาเป็นเวลาหลายล้านปี และการพยายามสร้างมันขึ้นมาใหม่ในเวลาอันสั้นได้กลายเป็นความท้าทายอย่างแท้จริงสำหรับนักวิทยาศาสตร์ พวกเขายอมรับมันและผลลัพธ์ก็คือ BaTboT

ปีกของ micro-UAV นี้คือ 50 ซม. ซึ่งอธิบายได้ด้วยความปรารถนาที่จะ "สอดคล้องกับต้นแบบตามธรรมชาติ" และต้นแบบคือสุนัขจิ้งจอกบิน (Pteropus poliocephalus) หนึ่งในค้างคาวที่ใหญ่ที่สุดในโลก น้ำหนักของ micro-UAV ได้รับการลดลงเพื่อให้ใช้เวลาบินสูงสุดด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ในตัว

ในการทำซ้ำการทำงานของระบบกล้ามเนื้อของสัตว์ นักวิจัยต้องหันไปสู่งานที่ค่อนข้างซับซ้อน แทนที่จะใช้มอเตอร์ทั่วไป พวกเขาต้องเลียนแบบการทำงานของกล้ามเนื้อของสิ่งมีชีวิต "กล้ามเนื้อ" ของ BaTboT ทำจากเส้นใยเล็กๆ ที่ "ทอ" จากโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง พวกมันทำงานในลักษณะเดียวกับลูกหนูและไขว้ที่หดตัวข้อต่อของปีกค้างคาว “กล้ามเนื้อ” ของ BaTboT แต่ละตัวมีน้ำหนักน้อยกว่า 1 กรัม และมวลรวมของ micro-UAV ซึ่งนักพัฒนานิยมเรียกว่าหุ่นยนต์บินได้คือ 125 กรัม (รวมแบตเตอรี่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในตัว และใบพัด) “โครงกระดูก” ดึงที่ 34 กรัม แรงขับทั้งหมดของปีกนักบินคือ 12.2 กรัม/ซม. เวลาในการกระพือคือ 300 มิลลิวินาที การสั่นของปีกระหว่างการกระพือคือประมาณ 4 มม. กระแสที่เคลื่อน “กล้ามเนื้อ” มีแรง 285 mA และแรงดันไฟฟ้า 3–5 V

เฟรมไมโคร UAV ยืดผ้าซิลิโคนหนา 0.1 มม. ทับไว้
ข้อมูลเกี่ยวกับรายละเอียดทางชีววิทยาของการบินของค้างคาวได้มาจากนักวิจัยชาวสเปนจากเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยบราวน์ในโพรวิเดนซ์ (สหรัฐอเมริกา) ในอนาคตอันใกล้นี้ นอกเหนือจากการบินตรงธรรมดาแล้ว ผู้เขียนยังตั้งใจที่จะไปยังเที่ยวบินที่มีการหลบหลีกอย่างเข้มข้น ซึ่งจะช่วยให้เราปรับแต่งระบบควบคุม การนำทาง และเซ็นเซอร์ได้ วัตถุประสงค์ของการปรับเปลี่ยนนี้คือเพื่อให้บรรลุความสามารถในการดำเนินการอัตโนมัติในระหว่างที่ไมโครโดรนจะสามารถรวบรวมข้อมูลได้ นักวิทยาศาสตร์กล่าวถึงการวิจัยทางชีววิทยาเกี่ยวกับการศึกษาค้างคาวในขอบเขตการใช้งานที่เป็นไปได้ สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติถิ่นที่อยู่อาศัย ตลอดจนการควบคุมศัตรูพืช

มีข้อสงสัยเล็กน้อยว่าความสามารถในการรวบรวมข้อมูลและการบินที่มีความคล่องตัวสูงในพื้นที่ปิดจะไม่เป็นที่สนใจของกองทัพ ขอให้เราระลึกย้อนกลับไปในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง กองทัพอากาศสหรัฐฯ กำลังทำงานในโครงการวางระเบิดในเมืองต่างๆ ของญี่ปุ่นด้วยค้างคาวที่ทิ้งในภาชนะที่แกะออกจากกล่องได้เอง โดยหนูแต่ละตัวจะมีกระเป๋าเป้สะพายหลังพร้อมระเบิดเพลิงขนาด 17 กรัม เที่ยวบินทดสอบประสบความสำเร็จอย่างมากจนฐานทดสอบเกือบถูกไฟไหม้...

การเผยแพร่ขั้นสุดท้ายของระยะแรกของโครงการน่าจะเกิดขึ้นในปีนี้

ปัจจุบัน หลายๆ คนกำลังพัฒนาอุปกรณ์ที่ได้รับแรงบันดาลใจมาจากชีวภาพ (หุ่นยนต์มด ผีเสื้อ นก) บริษัทขนาดใหญ่ซึ่งรวมถึงบริษัท Festo ของเยอรมนี ซึ่งมีกิจกรรมหลักคือระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

ความสำเร็จล่าสุดของวิศวกรชาวเยอรมันในทิศทางนี้คือหุ่นยนต์ควบคุม BionicFlyingFox แตกต่างจากรุ่นอื่น ๆ มันทำซ้ำโครงสร้างร่างกายของค้างคาวผลไม้ซึ่งเป็นสายพันธุ์ย่อยที่ใหญ่ที่สุดของค้างคาว ตามที่นักพัฒนาระบุว่าอุปกรณ์ดังกล่าวอยู่ในหมวดหมู่ของ "อุปกรณ์การบินที่เบาเป็นพิเศษพร้อมจลนศาสตร์อัจฉริยะ" ซึ่งทำให้มีความสามารถที่ไม่สามารถบรรลุได้ก่อนหน้านี้

หุ่นยนต์บินได้มีลักษณะอย่างไร?

ตัวแทนของบริษัทเปิดม่านแห่งความลับด้วยการเผยแพร่พารามิเตอร์หลักของผลิตภัณฑ์ใหม่:

• ปีกกว้าง – 228 ซม.
• ความยาว – 87 ซม.
• น้ำหนัก – 580 กรัม.

เพื่อให้ไม้ตีมีน้ำหนักเบา โครงสร้างปีกจึงทำจากผ้าทอบางๆ ซึ่งปิดทั้งสองด้านด้วยฟิล์มสุญญากาศ 2 ชั้น

คุณสมบัติการออกแบบของ Robot Bat

นอกจากวัสดุเมมเบรนแล้วยังควรให้ความสนใจกับปีกด้วย: ประกอบด้วยระนาบสองอันที่เชื่อมต่อถึงกัน เครื่องบินแต่ละลำมีมอเตอร์และวงควบคุมของตัวเอง แรงผลักดันคือมอเตอร์กระแสตรงหลัก มอเตอร์หลักและมอเตอร์เสริมได้รับการจ่ายพลังงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟในตัว ซึ่งทำให้เครื่องมีอิสระเต็มที่

การควบคุมจะดำเนินการโดยใช้สถานีควบคุมภาคพื้นดินซึ่งสามารถตรวจสอบการทำงานของเครื่องในอากาศผ่านกล้องในตัว เพื่อให้ขั้นตอนการดำเนินงานง่ายขึ้น นักพัฒนาได้แนะนำระบบปัญญาประดิษฐ์และการเรียนรู้ด้วยตนเอง ฟังก์ชันนี้ช่วยให้คุณปรับปรุงเทคนิคการซ้อมรบทางอากาศได้ ในอนาคต เทคนิคนี้จะได้รับการพัฒนาให้สมบูรณ์แบบ และหุ่นยนต์สัตว์จะไม่ด้อยกว่าความสามารถในการสร้างต้นแบบที่มีชีวิตอีกต่อไป