«Как ворон летит» – выражение, означающее кратчайшее расстояние между двумя точками, но сотрудники Лаборатории интеллектуальных систем (LIS) восприняли эту фразу буквально, создав RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments). Многофункциональные ноги робота, созданные по мотивам парящих птиц, таких как вороны, которые часто перемещаются между воздухом и землей, позволяют ему автономно взлетать в средах, ранее недоступных для крылатых беспилотников.
«Вдохновением для создания самолетов в первую очередь послужили птицы, и братья Райт воплотили эту мечту в жизнь, но даже современные самолеты все еще далеки от того, на что способны птицы», – говорит аспирант LIS Вон Донг Шин. «Птицы могут переходить от ходьбы к бегу, подниматься в воздух и возвращаться без помощи взлетно-посадочной полосы или пусковой установки. Инженерные платформы для таких движений до сих пор отсутствуют в робототехнике».
Конструкция RAVEN направлена на максимальное разнообразие режимов при минимальной массе. Вдохновившись пропорциями птичьих ног (и длительными наблюдениями за воронами), Шин разработал набор специальных, многофункциональных птичьих ног для беспилотника с фиксированным крылом. Он использовал сочетание математического, компьютерного моделирования и экспериментальных итераций для достижения оптимального баланса между сложностью ноги и общим весом дрона (0,62 кг). В результате более тяжелые компоненты находятся ближе к «телу» аппарата, а сочетание пружин и двигателей имитирует мощные сухожилия и мышцы птиц. Легкие ноги, как у птиц, состоят из двух сочлененных структур, использующих пассивный эластичный шарнир, который поддерживает различные позы для ходьбы, прыжков и подскоков.
«Преобразование птичьих ног и ступней в легкую роботизированную систему поставило перед нами проблемы дизайна, интеграции и управления, которые птицы элегантно решали на протяжении эволюции», – говорит Флореано, автор работы. «Это позволило нам не только создать самый мультимодальный крылатый дрон на сегодняшний день, но и пролить свет на энергетическую эффективность прыжков для взлета как у птиц, так и у дронов». Исследование опубликовано в журнале Nature.
Предыдущие роботы, предназначенные для ходьбы, были слишком тяжелыми для прыжков, а устройства для прыжков, не имели ног, подходящих для ходьбы. Уникальная конструкция RAVEN позволяет ему ходить, преодолевать разрывы в рельефе и даже запрыгивать на возвышенность высотой 26 сантиметров. Ученые также экспериментировали с различными способами инициирования полета, включая взлет стоя и падение, и обнаружили, что прыжок в полет наиболее эффективно использует кинетическую энергию (скорость) и потенциальную энергию (набор высоты).
Помимо выяснения минусов и преимуществ мощных ног у птиц, которые часто перемещаются между воздухом и землей, результаты исследования предлагают легкую конструкцию крылатых дронов, которые могут передвигаться по пересеченной местности и взлетать из ограниченных мест без вмешательства человека. Эти возможности позволяют использовать такие дроны для проведения инспекций, ликвидации последствий стихийных бедствий и доставки грузов в ограниченные районы. Команда EPFL уже работает над улучшением конструкции и управления ногами, чтобы облегчить посадку в различных условиях.
«Птичьи крылья – это эквивалент передних ног у наземных четвероногих, но мало что известно о координации ног и крыльев у птиц – не говоря уже о беспилотниках. Эти результаты – лишь первый шаг на пути к лучшему пониманию дизайна и принципов управления мультимодальными летающими животными, а также их воплощения в проворных и энергетически эффективных дронах», – говорит Флореано.
[Фото: Alain Herzog / École polytechnique fédérale de Lausanne]
