Bästa droner: Hur insekter lärde schweiziska forskare att bygga en bättre drone

Du kan förlåtas för att tänka på att den hårdaste, mest hållbara roboten skulle vara en slags hårdmetallskelett som Terminator, men ibland mjukt och flexibelt är vägen att gå.

I veckan publicerade ingenjörerna på École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz resultaten av deras ansträngningar för att göra en riktigt snygg och flexibel quadcopter drone i tidningen Science Robotics.

Precis som ett växande antal mikroroboter som för närvarande är i utveckling lånar dessa droner också några av deras designelement från den lättvikta, uppbyggda arkitekturen av origami. Men forskarna säger Omvänd, med en nyckelfaktor: Designen, en ny komposit som är tillräckligt flexibel för att absorbera skador, men styv nog för att förbli aerodynamisk och inspirerades av insektsvingarens materialegenskaper.

"De flesta origami-strukturerna är gjorda av styva laminerade material och styva leder (dvs osträngliga leder av polyimid eller nylon), vilket leder till begränsningar", säger Stefano Mintchev, en postdoktorforskare vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz. "Rigid origamis är bräckliga, benägna att riva och lätt misslyckas när de överbelastas under kollisioner."

Zhi Ern Teoh, en unaffailiated Harvard-utbildad mekanisk ingenjör som själv har utvecklat origami-inspirerade mikroroboter, berättade Omvänd han var imponerad av Lausanne-lagets arbete.

"Eftersom huvudvinget är helt styvt, när det träffar ett hinder kan vingen bryta," förklarar Teoh. "Vad de har gjort när det gäller att skräddarsy" tröskelkraften "- tröskeln vid vilken omkopplaren från stel till mjuk sker - jag tycker att det är ganska viktigt för strukturer som måste klara av effekter."

Kärnan i den schweiziska gruppens innovation är ett utsträckt elastiskt lager, som en gummiband som desperat vill återgå till form. Detta skikt omges därefter och vidhäftas till en mer styv, segmenterad exoskelett. Det är ungefär som en av de trängande träpopparna som slänger och kollapser när du lossnar strängen inuti dem. Vid påverkan böjer sig dronen vid sina segmenterade leder, varvid det elastiska skiktet sträcker sig.Sedan springer den tillbaka i form som är klar för att fortsätta flyga.

Naturligtvis kan konstruktionen inte vara för flexibel, och att hitta det känsliga balansen är där EPFL-teamets materialteknikkunskap kom in.

"Om tröskelkraften är för låg," säger Teoh, "kommer quadcopter inte att kunna ta av, eller hur? För det ögonblick som du slår på full kraft, kommer kraften att kollapsa strukturen."

Du kan föreställa dig en massa saker som händer: propellrarna kan krascha ihop varandra; de kunde rita vingarna i separata riktningar, i grund och botten rita och kvittera dronen. Det skulle vara att vara uppriktigt, en röra. Att hitta rätt draghållfasthet, dvs tröskeln vid vilken böjning skulle vara önskvärt, studerade liknande egenskaper i insektsvingar, enligt Mintchev.

"Utmaningen att strategiskt skräddarsy styvhet och mjukhet i vikbara strukturer mästas av insekter, säger Mintchev. "Deras utvecklade origami vingar är sammansatta av styva flisar av nagelband kopplade genom mjuka resilin leder."

Mintchev och gruppen ser även andra applikationer för denna design, inklusive mer flexibla gripmekanismer, som de redan har byggt prototyp av.

Några av fördelarna med denna design är ett grepp som skulle vara mindre benäget att bryta något bräckligt som det försöker hämta, och ett grepp som inte skulle kunna lyfta något utöver sin kapacitet (för att riskera att släppa det senare).

"Den nuvarande trenden i robotiken är att skapa mjukare robotar", enligt Dario Floreano, direktören för EPFLs laboratorium för intelligenta system och en annan medförfattare på det nya pappret, "som kan anpassa sig till en given funktion och fungera säkert vid sidan av människor.”

Att vara försiktig, är på sitt sätt ett tecken på styrka - något som hårdna terminatorrobotar bör notera.