RoboBee – den insektsinspirerade mikroroboten som utvecklats av forskare vid Harvard University – har blivit det lättaste fordonet någonsin för att uppnå uthållig flygning utan hjälp av en nätsladd. Efter decennier av arbete, forskarna uppnådde obunden flygning genom att göra flera viktiga förändringar av RoboBee, inklusive tillägg av ett andra par vingar. Den förändringen, tillsammans med mindre synliga förändringar av ställdon och utväxlingsförhållande, gav RoboBee tillräckligt med lyft för forskarna att fästa solceller och en elektronikpanel.

I Harvard Microrobotics Lab, en sen eftermiddag i augusti, årtionden av forskning kulminerade i ett ögonblick av stress då den lilla, banbrytande Robobee gjorde sin första soloflygning.

Doktorand Elizabeth Farrell Helbling, Ph.D. '19, och postdoktor Noah T. Jafferis från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Graduate School of Arts and Sciences och Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering fångade ögonblicket på kamera.

Helbling, som har arbetat med projektet i sex år, räknat ner.

"Tre, två, ett, gå."

De ljusa halogenerna slog på och den soldrivna Robobee lanserades i luften. För en skrämmande sekund, den lilla roboten, fortfarande utan styrning och kontroll ombord, brydde sig mot ljusen.

Av kameran, utbrast Helbling och bröt strömmen. Robobee föll död ur luften, fångad av sin Kevlar-säkerhetssele.

"Det gick väldigt nära mig, sa Helbling, med ett nervöst skratt.

"Det gick upp, "Jafferis, som också har arbetat med projektet i cirka sex år, svarade upprymt från höghastighetskamerans monitor där han spelade in testet.

Och med det, Harvard Universitys Robobee nådde sin senaste stora milstolpe – att bli det lättaste fordonet någonsin för att uppnå en uthållig obunden flygning.

"Detta är ett resultat flera decennier i vardande, "sade Robert Wood, Charles River professor i teknik och tillämpad vetenskap vid SEAS, Kärnfakultetsmedlem i Wyss Institute och principiell utredare av Robobee-projektet. "Att driva flygning är något av en Catch-22 eftersom avvägningen mellan massa och kraft blir extremt problematisk i små skalor där flygningen är ineffektiv i sig. Det hjälper inte att även de minsta kommersiellt tillgängliga batterierna väger mycket mer än roboten. Vi har utvecklat strategier för att hantera denna utmaning genom att öka fordonets effektivitet, skapa extremt lätta kraftkretsar, och integrera högeffektiva solceller."

Milstolpen beskrivs i Natur .

För att uppnå obundet flyg, denna senaste iteration av Robobee genomgick flera viktiga förändringar, inklusive tillägg av ett andra par vingar.

"Förändringen från två till fyra vingar, tillsammans med mindre synliga förändringar av ställdonet och utväxlingsförhållandet, gjort bilen mer effektiv, gav det mer lyft, och tillät oss att lägga allt vi behöver ombord utan att använda mer kraft, sa Jafferis.

(Tillägget av vingarna gav också denna Robobee smeknamnet X-Wing, efter de fyrvingade starfighters från Star Wars.)

Det där extra lyftet, utan ytterligare strömkrav, tillät forskarna att klippa av nätsladden - som har hållit Robobee bunden i nästan ett decennium - och fästa solceller och en elektronikpanel till fordonet.

Solcellerna, den minsta kommersiellt tillgängliga, väger 10 milligram styck och får 0,76 milliwatt per milligram effekt när solen är i full intensitet. Robobee X-Wing behöver kraften från cirka tre jordsolar för att flyga, gör utomhusflyg utom räckhåll för tillfället. Istället, forskarna simulerar den nivån av solljus i labbet med halogenljus.

Solcellerna är anslutna till en elektronikpanel under biet, som omvandlar solpanelens lågspänningssignaler till högspänningsdrivsignaler som behövs för att styra ställdonen. Solcellerna sitter cirka tre centimeter över vingarna, för att undvika störningar.

I alla, det sista fordonet, med solceller och elektronik, väger 259 milligram (ungefär en fjärdedel av ett gem) och använder cirka 120 milliwatt effekt, vilket är mindre ström än det skulle ta för att tända en enda glödlampa på en sträng av LED-julljus.

"När du ser ingenjörskonst i filmer, om något inte fungerar, folk hackar på det en eller två gånger och plötsligt fungerar det. Verklig vetenskap är inte så, ", sa Helbling. "Vi hackade på det här problemet på alla sätt för att äntligen uppnå det vi gjorde. I slutet, det är ganska spännande."

Forskarna kommer att fortsätta hacka bort, som syftar till att få ner strömmen och lägga till kontroll ombord så att Robobee kan flyga utanför.

"Under projektets gång har vi sekventiellt utvecklat lösningar på utmanande problem, som hur man bygger komplexa enheter i millimeterskala, hur man skapar högpresterande konstgjorda muskler i millimeterskala, bioinspirerad design, och nya sensorer, och flygkontrollstrategier, " sa Wood. "Nu när kraftlösningar dyker upp, nästa steg är ombordkontroll. Utöver dessa robotar, Vi är glada över att dessa underliggande tekniker hittar applikationer inom andra områden, såsom minimalt invasiva kirurgiska enheter, bärbara sensorer, hjälprobotar, och haptiska kommunikationsenheter - för att bara nämna några. "