Robotinsekter, som Entomoptern utvecklad vid Georgia Institute of Technology, kan ge oss en oöverträffad titt på vår värld. Foto med tillstånd av GTRI/Stanley Leary Vårt land är i krig på ett okänt territorium, och en strid är på väg att börja. Fiendes marktrupper positionerar sig för att bilda en attack mot vår armé, ligger bara 3,2 km bort. Dock, fienden vet inte att varje rörelse övervakas av robotinsekter utrustade med små kameror, flyger över huvudet. Dessa små robotblad, kallad mikroluftfordon (MAV), kommer att kunna surra över fiendens territorium nästan obemärkt av fiendens trupper nedan. Få skulle till och med titta två gånger på dessa flygande robotar i storlek.
Det amerikanska försvarsdepartementet spenderar miljoner dollar för att utveckla dessa MAV. De är det perfekta sättet att hålla soldater borta från skada under spaningsuppdrag. I dag, att samla spaning under strid innebär vanligtvis att sätta antingen små lag av soldater eller stora flygplan i fara. På samma gång, satellitbilder är inte omedelbart tillgängliga för en marksoldat.
Defense Advance Research Projects Agency (DARPA) finansierar flera forskningsteam för att utveckla MAV som inte är större än 15 cm långa, bredd och höjd. Dessa små flygplan kommer att vara en storleksordning mindre än någon annan obemannat luftfordon (UAV) utvecklat hittills. En klass av dessa MAV är utformade för att efterlikna flygande rörelser för vissa insekter, inklusive flugor, bin och trollsländor. I den här artikeln, vi kommer att fokusera på dessa buggliknande MAV. Du lär dig hur flugor flyger, hur maskiner kan byggas för att efterlikna deras rörelser och var dessa små antennapparater kommer att användas.
Innehåll
En modell av en mikromekanisk flygande insekt som sitter i handflatan av en Berkeley -forskares hand Foto med tillstånd av Jason Spingarn-Koff Fluor har mycket att lära oss om luftfart som inte kan läras av att studera fastvingade flygplan. I åratal, det var lite känt om insektsflygningens mekanik, men de är världens äldsta grupp av flygare, kallas ibland naturens stridsflygplan . Du kanske har hört talas om hur humlor inte kan flyga enligt konventionell aerodynamik. Det beror på att principerna bakom insektsflygning skiljer sig mycket från principerna bakom flygning med fastvingad flygplan.
"Ingenjörer säger att de kan bevisa att en humla inte kan flyga, "sa Michael Dickinson , en biolog vid University of California, Berkeley. "Och om du tillämpar teorin om fastvingade flygplan på insekter, du räknar ut att de inte kan flyga. Du måste använda något annat. "
Dickinson är en del av projektet Micromechanical Flying Insect (MFI), som utvecklar små flygande robotar med hjälp av insekts flygprinciper. Projektet är i samarbete med DARPA. MFI -projektet föreslår en robotinsekt som är cirka 10 till 25 millimeter (0,39 till 0,98 tum) bred, som är mycket mindre än DARPA:s storleksgräns på 6 tum (15 cm), och kommer att använda flaxande vingar för att flyga. Projektets mål är att återskapa flygningen av en blåslända.
Om du läser artikeln Hur flygplan fungerar, du vet att flygplan genererar lyft på grund av att luften färdas snabbare över toppen av vingen än längs botten av vingen. Det här kallas steady-state aerodynamik . Samma princip kan inte tillämpas på flugor eller bin, eftersom deras vingar är i konstant rörelse.
"Till skillnad från fastvingade flygplan med sina stabila, nästan osynlig (utan viskositet) flödesdynamik, insekter flyger i ett hav av virvlar, omgiven av små virvlar och virvelvindar som skapas när de rör vingarna, "sa Z. Jane Wang , en fysiker vid Cornell University's College of Engineering. En virvel är en virvel av luft som skapas av vingen, och luften i virveln flyter i motsatt riktning mot huvudströmmen.
Virvlar som skapas av insektsvingar håller insekterna uppe. Dickinsons grupp beskriver dessa tre principer för att förklara hur insekter lyfter och håller sig i luften:
"Det vore riktigt knepigt om vi kunde utnyttja dessa mekanismer, för, genom att bygga en insektsrobot. Men du kan inte bygga dem nu baserat på kända principer - du måste fundera om problemet i grunden, "Sade Dickinson. I nästa avsnitt, du kommer att lära dig hur forskare tar dessa principer och tillämpar dem på skapandet av robotflygande insekter.
Det finns minst två DARPA-finansierade MAV-projekt som har inspirerats av principerna för insektsflykt. Medan Michael Dickinson skapar den mikromekaniska flygande insekten i Berkeley, Robert Michelson , en forskningsingenjör vid Georgia Institute of Technology, arbetar med Entomopter . Låt oss titta närmare på båda projekten.
I juli 2000, USA:s patentkontor tilldelade Georgia Tech Research Corporation patent för Michelsons uppfinning av entomoptern, kallas även a multimodal elektromekanisk insekt . Entomoptern är konstruerad för möjliga inomhusoperationer, enligt U.S. Patent Number 6, 082, 671. Det kommer att efterlikna insektsbekämpning genom att vifta med vingarna för att skapa lyft. Dessutom, forskare studerar sätt för Entomopter att navigera i korridorer och ventilationssystem och krypa under dörrar.
Låt oss titta på de grundläggande delarna av Entomopter:
Entomoptern drivs av en kemisk reaktion. Ett monopropellant injiceras i kroppen, orsakar en kemisk reaktion som avger en gas. Gastrycket som byggs upp trycker en kolv i flygkroppen. Denna kolv är ansluten till de svängbart kopplade vingarna, får dem att klappa snabbt. En del av gasen går ut genom ventilationsöppningar i vingen och kan användas för att ändra hissen på båda vingarna så att fordonet kan svänga. För närvarande, Entomoptern har ett vingspann på 10 tum (25 cm). "Nästa steg är att krympa RCM -enheten till buggstorlek, sa Michelson.
I ett fordon av storleken på en husfluga, varje del måste utföra flera uppgifter. Till exempel, en radioantenn fäst på fordonets baksida kan också fungera som en stabilisator för navigering. Benen kan lagra bränsle för justering av fordonets vikt och balans under flygning.
Ett konstnärs koncept för den färdiga mikromekaniska flygande insekten som utvecklas i Berkeley Foto med tillstånd R.Fearing/UC-Berkeley Den amerikanska regeringen har också investerat 2,5 miljoner dollar i Berkeley -projektet för att utveckla en robotinsekt i storleken på en vanlig husfluga. Det första stora steget mot att få detta mikromekanisk flygande insekt (MFI) i luften var utvecklingen av Robofly , vilket gav forskare viktig inblick i insektsflygningens mekanismer.
För att bygga MFI, forskare utförde experiment för att lära sig hur flugor flyger. Ett av experimenten innebar att bygga ett par 25-cm robotvingar, kallad Robofly , som gjordes av plexiglas och modellerades efter vingarna på en fruktfluga. Vingarna var nedsänkta i en tank med mineralolja, som tvingar dem att reagera som mindre, 1 millimeter långa fruktflugvingar som slår snabbt i luften. Sex motorer - tre på varje vinge - flyttade vingarna fram och tillbaka, upp och ner och i en roterande rörelse. Sensorer fästes för att mäta vingarnas kraft.
Så småningom, Robofly kommer att krympa ner till en mikrorobotisk fluga av rostfritt stål som är 10 till 25 millimeter (0,4 till 1 tum) bred och väger ungefär 43 milligram (0,002 ounces). Vingarna kommer att vara gjorda av en tunn Mylar -film. Solenergi kommer att driva en piezoelektrisk ställdon som kommer att driva vingarna att klaffa. Robotens bröstkorg kommer att omvandla avböjningar av piezoelektriska ställdon till den stora vingens slag och rotation som krävs för att uppnå flygning.
Även om roboten ännu inte flyger, det har rapporterats att cirka 90% av den kraft som krävs för lyft har uppnåtts experimentellt med en fullt fungerande, tvåvingad struktur. Nästa steg blir att lägga till en flygkontrollenhet och kommunikationsenhet för fjärrkontroll. Forskarna säger att de arbetar med att möjliggöra kontrollerad svävning genom optisk avkänning och ett inbyggt gyroskop.
Ett konstnärs koncept för ett team av entomopters som utforskar Mars Foto med tillstånd av Robert Michelson Med tanke på den mängd pengar som den amerikanska militären pumpar in i MAV -projekt (micro air vehicle), Det är troligt att den första användningen av dessa robotbuggar kommer att vara som spionflugor. DARPA föreställer sig en spionfluga som kan användas för spaningsuppdrag och kontrolleras av soldater på marken. Detta lilla flygande fordon skulle inte bara vidarebefordra bilder av trupprörelser, men det kan också användas för att upptäcka biologiska, kemiska eller kärnvapen. Dessutom, robotinsekten skulle kunna landa på ett fiendens fordon och placera en elektronisk etikett på den så att den lättare kunde riktas.
I en 1997 års rapport från DARPA om utvecklingen av MAV, författarna skrev att framsteg inom mikroteknik, Inklusive mikroelektromekaniska system (MEMS), skulle snart göra spionflugor till en genomförbar idé. Han påpekade att mikrosystem som CCD-array-kameror, små infraröda sensorer och chipstorleksdetektorer för farliga ämnen görs tillräckligt små för att integreras i en spionflugs arkitektur.
Militären vill ha en MAV som har en räckvidd på cirka 10 km, flyger dag eller natt och kan stanna i luften i ungefär en timme. DARPA -tjänstemän säger att den idealiska hastigheten för en MAV är 22 till 45 mph (35,4 till 72,4 kph). Det skulle styras från en markstation, som skulle använda riktningsantenner och upprätthålla kontinuerlig kontakt med MAV.
Robotflugor kan också vara väl lämpade som en ny generation interplanetära upptäcktsresande. Georgia Tech Research Institute (GTRI) har fått finansiering från NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) för att studera idén med Entomopter som en flygande Mars -mätare. I mars 2001, NASA finansierade den andra fasen av studien i väntan på framtida Mars -mikromissioner.
Entomopters erbjuder flera fördelar jämfört med större lantmätare. De skulle kunna landa, ta av, sväva och utföra svårare manövrer under flygning. Deras förmåga att krypa och flyga ger dem också en fördel när de utforskar andra planeter. Mest troligt, NASA skulle skicka dussintals av dessa övervakningsfordon för att utforska andra planeter. Entomopter -utvecklaren Rob Michelson sa att Mars -versionen av Entomoptern måste dimensioneras för att ha ett vingspann på cirka 1 meter för att flyga i Mars tunna atmosfär.
Forskare säger att dessa små flygande robotar också skulle vara värdefulla efter naturkatastrofer, som jordbävningar, tornado eller jordskred. Deras lilla storlek och förmåga att flyga och sväva gör dem användbara för att söka efter människor begravda i spillror. De kan flyga mellan sprickor som människor och större maskiner inte kan navigera. Andra användningsområden inkluderar trafikövervakning, gränsövervakning, viltundersökningar, kraftledningskontroll och flygfotografering i fastigheter.
Spionflugor är ännu ett exempel på hur teknik hjälper människor att utföra farliga uppgifter, tillåta människor att hålla sig borta från skada. Militär spaning, Att leta efter jordbävningsoffer och resa till andra världar är alla farliga aktiviteter - att flyga mikrorobotar skulle tillåta oss att utföra dessa uppgifter utan att faktiskt vara där.
