Исследователи из Корнелла объединили мягкие микроактиваторы с химическим топливом высокой плотности энергии, чтобы создать четвероногого робота размером с насекомое, который работает за счет сгорания топлива и может обогнать своих конкурентов с электрическим приводом.

Статья группы «Мощные, мягкие приводы сгорания для роботов размером с насекомое» была опубликована 14 сентября в журнале Science. Ведущим автором является постдокторант Кэмерон Обин, доктор философии ’23.

Проектом руководил Роб Шепард, адъюнкт-профессор механики и аэрокосмической инженерии в Cornell Engineering, чья лаборатория органической робототехники ранее использовала горение для создания дисплея Брайля для электроники.

Как известно любому, кто видел, как муравей уносит еду с пикника, насекомые намного сильнее, чем предполагают их ничтожные размеры. Однако роботам такого масштаба еще предстоит полностью раскрыть свой потенциал.

«Одна из проблем заключается в том, что двигатели и помпы на самом деле не работают, когда вы уменьшаете их до таких размеров», — сказал Обин, поэтому исследователи попытались компенсировать это, создав индивидуальные механизмы для выполнения таких функций.

До сих пор большинство этих роботов были привязаны к своим источникам питания – обычно электричеству.

«Мы подумали, что использование химического топлива с высокой энергетической плотностью, такого же, как в автомобиле, было бы одним из способов увеличить бортовую мощность и производительность этих роботов», — сказал он.

«Очевидно, что мы не обязательно выступаем за возврат к ископаемому топливу в больших масштабах. Но в данном случае, с этими крошечными роботами, где миллилитр топлива может обеспечить час работы вместо батареи, которая слишком тяжелая, чтобы робот мог даже поднять ее, это не составляет труда».

Хотя команде еще предстоит создать полностью автономную модель – Обен говорит, что они на полпути к этому, – текущая итерация абсолютно ограничивает конкуренцию с точки зрения их силовой отдачи.

Четвероногий робот длиной чуть более дюйма и весом, эквивалентным полутора скрепкам, напечатан на 3D-принтере с использованием огнестойкой смолы. Корпус содержит пару отдельных камер сгорания, которые приводят к четырем приводам, которые служат ногами.

Каждый привод/ножка представляет собой полый цилиндр, покрытый снизу куском силиконовой резины, похожим на обшивку барабана. Когда для создания искры в камерах сгорания используется бортовая электроника, предварительно смешанные метан и кислород воспламеняются, реакция горения раздувает обшивку барабана, и робот поднимается в воздух.

Приводы робота способны развивать усилие в 9,5 ньютона по сравнению с примерно 0,2 ньютона у других роботов аналогичного размера. Он также работает на частотах, превышающих 100 Герц, обеспечивает перемещение на 140% и может поднимать вес, в 22 раза превышающий его собственный.

«Питание от сгорания позволяет им делать многое из того, что роботы такого масштаба на данный момент не смогли сделать», — сказал Обин.

«Они могут перемещаться по действительно сложной местности и преодолевать препятствия. Для своих размеров это невероятный прыгун. Он также очень быстр на земле. Все это благодаря плотности усилия и мощности этих приводов, работающих на топливе».

Конструкция привода также обеспечивает высокую степень контроля. По существу, поворачивая ручку, оператор может регулировать скорость и частоту искрообразования или изменять подачу топлива в режиме реального времени, вызывая динамический диапазон срабатываний.

Немного топлива и немного высокочастотного искрообразования заставляют робота нестись по земле. Добавьте немного больше топлива и меньше искрообразования, и робот замедлится и запрыгает. Заправьте топливо до упора и дайте ему одну хорошую искру, и робот подпрыгнет в воздух на 60 сантиметров, что примерно в 20 раз превышает длину его тела, по словам Обина.

«Выполнять все эти многоподвижные движения — это то, чего вы обычно не видите у роботов такого масштаба», — сказал Обин. «Они либо ползают, либо прыгают, но не то и другое вместе».

Исследователи предполагают объединить еще больше исполнительных механизмов в параллельные массивы, чтобы они могли создавать как очень тонкие, так и очень мощные сочленения в макромасштабе.

Команда также планирует продолжить работу над созданием автономной версии. Эта цель потребует перехода с газообразного топлива на жидкое, которое робот может перевозить на борту, наряду с электроникой меньшего размера.

«Все указывают на этих роботов размером с насекомое как на то, что их можно использовать для поиска и спасения, разведки, мониторинга окружающей среды, наблюдения, навигации в суровых условиях», — сказал Обин.

«Мы думаем, что повышение производительности, которое мы обеспечили этому роботу, используя эти виды топлива, приближает нас к реальности, где это действительно возможно».