Un minuscolo insetto robotico a quattro ali vola più come la cosa reale

Molti insetti sono volatori potenti e agili. Uno dei motivi è che la maggior parte ha quattro ali, che danno loro un controllo preciso sulla loro direzione di volo e sul loro orientamento attraverso la regolazione di beccheggio, rollio e imbardata.

Negli ultimi anni, aerodinamici, ingegneri e robotici hanno tentato di copiare il volo simile a un insetto costruendo minuscoli robot volanti. La cosa principale che hanno scoperto è quanto sia difficile.

Un robot a quattro ali (a destra) accanto a un modello a due ali e un penny americano

Una delle macchine volanti più piccole mai costruite si chiamava RoboBee; era azionato da due ali battenti, ciascuna alimentata indipendentemente dal proprio minuscolo attuatore. In effetti, RoboBee è stato possibile solo grazie allo sviluppo di questi minuscoli attuatori, ciascuno del peso di soli 25 milligrammi.

Ma c'era un problema. In teoria, le due ali svolazzanti di RoboBee avrebbero dovuto essere in grado di generare tutte le forze necessarie per il volo controllato. In pratica, tuttavia, la macchina non era in grado di generare forze sufficientemente potenti da controllare l'imbardata, quindi spesso oscillava in modo incontrollabile.

Un design migliore sarebbe stato un veicolo in scala di insetti con quattro ali sbattenti, proprio come i veri insetti. Ma ciò sarebbe stato possibile solo se gli attuatori fossero stati notevolmente più leggeri.

Entrano Xiufeng Yang e gli amici della University of Southern California a Los Angeles. Questi ragazzi hanno sviluppato attuatori che pesano la metà delle versioni precedenti. Ne hanno usati quattro per costruire un robot con quattro ali sbattenti, ciascuna con una campata di soli 33 millimetri. Il risultato è una macchina volante simile a un insetto chiamata Bee+. È in grado di appollaiarsi, atterrare, seguire un percorso ed evitare ostacoli.

La svolta si basa su un intelligente pezzo di ingegneria. Gli attuatori del RoboBee 2013 erano di un tipo chiamato bimorfi. Si tratta di cantilever costituiti da due strati di materiale piezoelettrico separati da uno strato passivo. Gli strati piezoelettrici si contraggono alternativamente, costringendo il cantilever a piegarsi avanti e indietro. Questo movimento guida lo sbattimento di un'ala.

Questi attuatori sono semplici, piccoli e leggeri, il che li rende perfetti per il volo come un insetto. I due attuatori bimorfi del RoboBee pesano solo 50 milligrammi, una frazione significativa della massa totale del dispositivo di 75 milligrammi.

Ma Yang e co hanno trovato un modo per renderli ancora più leggeri utilizzando un design dell'attuatore chiamato unimorph. Invece di due strati di materiale piezoelettrico, un unimorph utilizza una singola striscia attaccata a uno strato passivo. La contrazione ripetuta dello strato piezoelettrico fa piegare il cantilever. E il movimento della punta del cantilever guida lo sbattimento di un'ala.

Questo design a strato singolo rende gli attuatori notevolmente più leggeri. In effetti, i quattro attuatori unimorfi pesano solo 56 milligrammi, solo pochi grammi in più di due bimorfi. Inoltre, gli attuatori unimorph semplificano il processo di assemblaggio. Il nuovo design riduce significativamente la complessità del processo di fabbricazione e la frequenza statistica degli errori di assemblaggio rispetto a quella dei robot a due ali, affermano Yang e co.

E poiché il peso totale del veicolo è di 95 milligrammi con quattro ali, il carico alare è notevolmente inferiore rispetto a RoboBee. Ciò riduce le forze che agiscono sugli attuatori e ne aumenta la durata. L'approccio proposto presenta numerosi vantaggi in termini di peso, dimensioni, aerodinamica, controllo e fabbricazione, afferma il team.

Un difetto di Bee+ (e di altri volantini simili a insetti come RoboBee) è che deve essere alimentato tramite un cavo. Ciò consente a Yang e compagni di dimostrare la sua capacità di volo senza preoccuparsi della sfida separata dell'accumulo di energia. Altri hanno dimostrato insetti robotici alimentati da raggi laser. Ma l'alimentazione a bordo è ancora una sfida considerevole.

Puoi guardare Bee+ mentre fa i suoi passi qui .

Questo è un lavoro interessante che mostra come il progresso nei robot simili a insetti dipenda in modo cruciale dai progressi dell'ingegneria.

In effetti, sono assolutamente necessari ulteriori progressi. Bee+ può essere ispirato dagli insetti, ma con 95 milligrammi è un colosso rispetto alle creature reali. Un calabrone, ad esempio, pesa circa 10 milligrammi S ed è autoalimentato per l'avvio.

Quindi gli ingegneri dovranno ridurre le dimensioni e il peso delle loro macchine di almeno un ordine di grandezza, e questo prima di considerare il problema dell'accumulo di energia, che è ancora più intrattabile. Per questo motivo, potrebbe passare del tempo prima di vedere robot con capacità davvero simili a quelle degli insetti.

Rif: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : Un robot volante a quattro ali in scala di insetti da 95 mg azionato da attuatori Unimorph gemellati

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