Un robot ressemblant à un insecte se rapproche d'un vol indépendant

Un robot ressemblant à un insecte se rapproche d'un vol indépendant
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/ Le RoboBee XWing sans sa puissance et son électronique.

Noah T. Jafferis et E. Farrell Helbling, laboratoire de microrobotique de Harvard

Il y a un peu plus de six ans, lorsque des chercheurs de Harvard ont annoncé leur adhésion, ils ont immédiatement commencé à parler de la possibilité que leurs minuscules créations fonctionnent de manière autonome dans des environnements complexes. Cela semblait extrêmement optimiste, étant donné que les robots volaient en traînant une série de fils de cuivre qui apportaient des instructions de puissance et de contrôle; les robots étaient guidés par un ordinateur qui surveillait leurs positions à l'aide d'une caméra.

Depuis lors, cependant, l’équipe a continué à perfectionner les petites machines, en leur fournissant par exemple. Et aujourd'hui, l'équipe annonce la première démonstration de vol autonome. Le vol est très court et n'est pas auto-contrôlé, mais le minuscule engin parvient à transporter à la fois le circuit d'alimentation et sa propre source d'alimentation.

Une question de miniaturisation

Il existe deux approches de la miniaturisation, que vous pouvez considérer comme descendantes et ascendantes. De haut en bas, les entreprises réduisent leurs composants et réduisent leur poids pour permettre aux versions de plus en plus petites de drones quadricoptères de voler. Certains, maintenant disponibles, pèsent aussi peu que 10 grammes. Mais ce type de matériel est confronté à des limites physiques strictes qui vont limiter son potentiel de réduction. Les batteries, par exemple, finissent par utiliser une plus grande partie de leur masse pour l’emballage et le matériel de support plutôt que pour le stockage chargé. Et la friction commence à jouer un rôle dominant dans la performance des moteurs rotatifs standard.

L'alternative est ascendante. Commencez avec quelque chose de similaire aux robots volants ressemblant à des insectes et découvrez comment développer leurs capacités. Sans surprise, depuis qu'ils ont construit le robot ressemblant à un insecte, l'équipe de Harvard a choisi une approche ascendante.

Leur conception originale avait des moteurs capables de battre rapidement deux ailes, fournissant au robot un vol propulsé. L'alimentation avec la haute tension et les oscillations rapides était fournie à l'extérieur. Il en était de même pour les informations de contrôle de vol: un système de caméra suivait le robot en vol, un ordinateur déterminait les réglages nécessaires et les envoyait directement aux ailes.

Le but de ce travail est de supprimer une partie de ce matériel externe, de le réduire afin qu'il puisse être placé à bord du robot lui-même. Pour ce nouveau travail, les chercheurs se sont concentrés sur la source d'alimentation qui maintient le robot en vol.

Puissance décroissante

Comme indiqué ci-dessus, les batteries ont du mal à réduire leur poids en poids, car des éléments comme le boîtier, le câblage et les matériaux de collecte de charge contribueront toujours au poids, quelle que soit la taille de l'accumulateur. La meilleure batterie que les chercheurs pouvaient trouver pesait quatre fois plus que le robot prototype. Au lieu de cela, l'équipe s'est tournée vers le matériel photovoltaïque, où un appareil de 10 mg peut générer plus de 7 watts de puissance lorsqu'il est exposé au plein soleil.

Cependant, piloter leur matériel d'origine nécessiterait environ sept fois plus. Les chercheurs ont donc amélioré l'efficacité du vol du robot en augmentant la surface de l'aile tout en ralentissant le battement des ailes. Et la façon la plus simple de faire cela était simplement de doubler le nombre d'ailes, chaque actionneur agitant maintenant deux ailes. Cet ajout, associé à quelques améliorations dans les actionneurs eux-mêmes, leur a permis d'augmenter de près de 40% la portance générée par les ailes.

/ La conception complète du RoboBee X-Wing, y compris l’alimentation et l’électronique.

Noah T. Jafferis et E. Farrell Helbling, laboratoire de microrobotique de Harvard

Le problème suivant était de relier les actionneurs piézoélectriques à la source d’énergie solaire. Les actionneurs piézoélectriques nécessitent une tension élevée (200 volts) et une commutation rapide (oscillations de 200 hertz). Ces pièces ont été assemblées à l'aide d'un mélange de composants standard et fabriqués à la main.

La conception ultime consiste à placer les panneaux solaires sur une tige, un peu comme un parapluie. Ceci est fait pour empêcher les panneaux d'interférer avec le flux d'air entraîné par les ailes. Les composants électroniques, en revanche, sont laissés au bas du robot, ce qui procure un peu d'équilibre. L’emballage n’est que de 90 milligrammes et présente un rapport portance de 4: 1. Les auteurs qualifient le résultat plutôt gênant de RoboBee X-Wing.

Vol en rafales courtes

Comment ça marche? Eh bien, la vidéo incluse montre qu'il vole, mais très brièvement; Les vols typiques durent moins d'une demi-seconde et nécessitent une lumière entrante de trois soleils. Les auteurs appellent cela "soutenu", ce qui semble étirer la définition du mot. Le robot gère généralement le contrôle simplement en ne volant pas assez longtemps pour pouvoir le gérer.

Une courte vidéo décrivant les nouveaux robots volants.

Mais il y a encore beaucoup à faire. Bien que le robot existant ne pèse que 90 milligrammes, il est capable de produire plus de 350 milligrammes de portance. Les auteurs estiment qu’ils pourraient presque doubler le poids de l’engin tout en conservant une portance suffisante pour des performances décentes. À lui seul, cela pourrait facilement servir à agrandir les panneaux solaires pour augmenter la puissance, à inclure des capteurs intégrés, ou à installer le système de traitement de contrôle sur l’engin – ou peut-être plus d’un d'entre eux.

La conception actuelle de RoboBee X-Wing comporte également de nombreux frais généraux à améliorer. Les auteurs suggèrent qu'ils pourraient revoir la conception des actionneurs afin de réduire de moitié la tension requise, ce qui leur permettrait de simplifier l'électronique de conversion de tension. Ces composants électroniques pourraient presque certainement être miniaturisés, ce qui réduirait encore le poids. Une autre modification de l'électronique devrait permettre au robot de récupérer une partie de l'électricité qu'il utilise, augmentant ainsi efficacement la puissance disponible. Les chercheurs souhaitent également examiner les interactions entre l'air et les quatre ailes du robot afin d'optimiser davantage la portance.

Il reste encore beaucoup à faire, et il ne fait aucun doute que le RoboBee Mark II sera un jour plus proche d'un vol que l'on peut légitimement qualifier de «soutenu». En ce sens, la RoboBee X-Wing devrait être considérée comme un deuxième prototype, un suivi de la première version destinée à faire œuvre de pionnier dans le domaine des nouvelles technologies. Argumenter sur l'utilisation du mot "soutenue" est à côté du sujet, puisque le but de cette machine est de déterminer si une version alimentée à l'énergie solaire place réellement le matériel sur le bon chemin pour obtenir un vol soutenu, éventuellement avec un temps utile. charge utile.

La nature, 2019. DOI: ().

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