Badacze z EPFL zbudowali drona, który może chodzić, skakać i wskakiwać do lotu dzięki ptasich nóg, znacznie poszerzając zakres potencjalnych środowisk dostępnych dla bezzałogowych statków powietrznych.
„W linii prostej” to powszechny idiom odnoszący się do najkrótszej odległości między dwoma punktami, ale Laboratorium Inteligentnych Systemów (LIS), kierowane przez Dario Floreano, w Szkole Inżynierskiej EPFL, potraktowało to wyrażenie dosłownie w przypadku RAVEN (Robotic Avian- inspirowany pojazd dla wielu środowisk). Zaprojektowane w oparciu o ptaki siedzące, takie jak kruki i wrony, które często przełączają się między powietrzem a lądem, wielofunkcyjne robotyczne nogi pozwalają mu autonomicznie startować w środowiskach wcześniej niedostępnych dla skrzydlatych dronów.
„Ptaki były przede wszystkim inspiracją dla samolotów, a bracia Wright spełnili to marzenie, ale choćby dzisiejsze samoloty wciąż są dość dalekie od tego, do czego są zdolne ptaki” – mówi doktorant LIS Won Dong Shin. „Ptaki mogą przejść od chodzenia do biegania, wzbijania się w powietrze i z powrotem, bez pomocy pasa startowego lub wyrzutni. W robotyce wciąż brakuje platform inżynieryjnych umożliwiających tego rodzaju ruchy”.
Projekt RAVEN ma na celu maksymalizację różnorodności chodu przy jednoczesnej minimalizacji masy. Zainspirowany proporcjami ptasich nóg (i długimi obserwacjami wron na terenie kampusu EPFL) Shin zaprojektował zestaw niestandardowych, wielofunkcyjnych ptasich nóg do stałopłata. Wykorzystał kombinację modeli matematycznych, symulacji komputerowych i iteracji eksperymentalnych, aby osiągnąć optymalną równowagę między złożonością nóg a całkowitą masą drona (0,62 kg). Powstała noga utrzymuje cięższe elementy blisko „ciała”, podczas gdy połączenie sprężyn i silników naśladuje potężne ptasie ścięgna i mięśnie. Lekkie stopy inspirowane ptakami, składające się z dwóch przegubowych konstrukcji, wykorzystują pasywne elastyczne złącze, które wspiera różne pozycje podczas chodzenia, skakania i skakania.
„Przełożenie ptasich nóg i stóp na lekki system robotyczny przedstawiło nam problemy związane z projektowaniem, integracją i kontrolą, które ptaki elegancko rozwiązały w toku ewolucji” – mówi Floreano. „To doprowadziło nas nie tylko do opracowania najbardziej jak dotąd multimodalnego skrzydlatego drona, ale także rzuciło światło na efektywność energetyczną skoków do startu zarówno u ptaków, jak i dronów”. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature.
Lepszy dostęp do dostaw lub pomocy w przypadku klęsk żywiołowych
Poprzednie roboty zaprojektowane do chodzenia były zbyt ciężkie, aby skakać, natomiast roboty zaprojektowane do skakania nie miały stóp odpowiednich do chodzenia. Unikalna konstrukcja RAVEN pozwala mu chodzić, pokonywać szczeliny w terenie, a choćby wskakiwać na wzniesienie o wysokości 26 centymetrów. Naukowcy eksperymentowali także z różnymi trybami inicjowania lotu, w tym startem z pozycji stojącej i startem z opadaniem, i odkryli, iż wskoczenie do lotu najbardziej efektywnie wykorzystuje energię kinetyczną (prędkość) i energię potencjalną (zwiększanie wysokości). Naukowcy z LIS nawiązali współpracę z Auke Ijspeertem z laboratorium BioRobotics Lab EPFL oraz z laboratorium neuromechaniki Moniki Daley na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, aby dostosować biomechanikę ptaków do poruszania się robotów.
Oprócz wyjaśnienia kosztów i korzyści posiadania potężnych nóg u ptaków, które często przemieszczają się z powietrza na ziemię, wyniki oferują lekką konstrukcję skrzydlatych dronów, które mogą poruszać się po nierównym terenie i startować z ograniczonych miejsc bez interwencji człowieka. Możliwości te umożliwiają wykorzystanie takich dronów do inspekcji, łagodzenia skutków katastrof i dostaw na obszarach zamkniętych. Zespół EPFL pracuje już nad ulepszoną konstrukcją i kontrolą nóg, aby ułatwić lądowanie w różnych środowiskach.
„Skrzydła ptaków są odpowiednikiem przednich nóg u czworonogów lądowych, ale kilka wiadomo na temat koordynacji nóg i skrzydeł u ptaków – nie wspominając o dronach. Wyniki te stanowią zaledwie pierwszy krok w kierunku lepszego zrozumienia zasad projektowania i sterowania multimodalne latające zwierzęta i ich przełożenie na zwinne i energooszczędne drony” – mówi Floreano.
