Корейские инженеры, занимающиеся созданием миниатюрных орнитоптеров, разработали для них крыло, которое имитирует особенности конструкции крыльев жуков-носорогов. Благодаря наличию подвижного узла, расположенного на передней кромке, и способности упруго сгибаться и распрямляться биомиметическое крыло позволяет смягчает удары о препятствия. Дрон с такими крыльями может продолжать стабильный полет и не падать даже в случае соударений кончиками крыльев с окружающими предметами, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

При полетах дронов в помещениях с большим количеством препятствий возрастает риск столкновений. Для того, чтобы защитить мульткоптеры, обычно используют различные системы противоударной защиты, которые предотвращают контакт роторов с предметами при столкновении. Например, британские инженеры создали бампер для квадрокоптера в виде кольцевой рамы, на внешней стороне которой расположены упругие элементы, сделанные с применением техники оригами. Эта конструкция призвана принимать на себя удары при возможных столкновениях мультироторного дрона с препятствиями и уменьшать влияние столкновений на траекторию полета. Однако подобные схемы защиты не подходит для орнитоптеров (махолетов), полет которых происходит за счет взмахов крыльев. Беспилотники такого типа обычно имеют миниатюрные размеры и громоздкие защитные конструкции значительно ухудшают их летные характеристики.

Пак Чхоль-Хун (Hoon Cheol Park) и Хоанг Ву Фан (Hoang Vu Phan) из южнокорейского Университета Конкук создали биомиметические крылья для орнитоптера, которые позволяют продолжать полет, даже если он задевает ими за препятствия. В качестве прототипа инженеры выбрали крылья жука-носорога вида Allomyrina dichotoma. Длина его крыльев в разложенном состоянии превышает длину тела, что связано с необходимостью создавать достаточную подъемную силу в полете. В состоянии покоя крылья сгибаются, переламываясь по передней кромке и образуя несколько складок, после чего располагаются вдоль брюшка насекомого, прикрываемые сверху жесткими пластинами надкрылий для защиты. Полное расправление крыльев в полете происходит за счет сил инерции и аэродинамических сил во время быстрых взмахов.

Исследователи провели серию наблюдений за полетами жуков через пространство с препятствиями в виде шестов. Выяснилось, что в ряде случаев соударение крыла с препятствием во время полета не приводит к падению насекомого. В таких случаях крыло благодаря своей способности частично изгибаться просто складывается и расправляется вновь при последующих взмахах после прохождения препятствия. Также при этом жук старается компенсировать изменение траектории движением лапок и изменением частоты взмахов правого и левого крыльев. Удары же в область крыла, расположенную за точкой сгиба ближе к телу насекомого, приводят к прерыванию полета и падению.

Способность крыла жуков-носорогов амортизировать удары за счет изгибания инженеры использовали при создании крыльев для орнитоптера. В качестве основы они использовали свою предыдущую разработку — бесхвостый орнитоптер KUBeetle-S. В движение крылья приводит один электромотор через двухступенчатый редуктор и трансмиссию, преобразующую вращательное движение мотора в периодические взмахи крыльев. Управление происходит с помощью трех сервомоторов, два из которых обеспечивают наклон платформы с крыльями и изменение вектора тяги, благодаря чему осуществляется управление по крену и тангажу, а третий используется для отклонения нижних кромок крыльев в противоположные стороны и управления по оси рысканья. Дрон оснащен гироскопом и акселерометром, а бортовая электроника управляется микроконтроллером ATmega328P-MU. В качестве источника питания использован литий-полимерный аккумулятор емкостью 70 миллиампер-часов. Масса аппарата составляет 17,8 грамм. В режиме висения частота махов крыльями равна 26 герцам с амплитудой 190 градусов.

Крыло жука-носорога и схема искусственного крыла орнитоптера
Крыло жука-носорога и схема искусственного крыла орнитоптера
Фотография механического крыла с механизмом изгиба
Фотография механического крыла с механизмом изгиба

Крылья созданы из полиимидной пленки, а «прожилки» в крыле, играющие роль каркаса и имитирующие конструкцию крыла насекомого, изготавлены из карбоновых трубок и полос из углеродных препрегов. Для создания упругого гибкого соединения на передней кромке инженеры использовали проволоку из никель-титанового сплава. Это соединение обеспечивает изгиб как в продольном, так и поперечном направлениях. Крыло имеет длину восемь сантиметров и площадь чуть больше 19 квадратных сантиметров при весе в 0,22 грамм, что составляет около 1,2 процента от общей массы дрона.

Испытания показали, что новые крылья орнитоптера, несмотря на снижение энергоэффективности из-за наличия дополнительного подвижного соединения в конструкции, создают достаточную подъемную силу для полета и зависания на месте. В экспериментах по соударению с препятствиями в полете дрон пролетал мимо вертикальных стержней, сталкиваясь с ними кончиками крыльев. Благодаря способности крыльев сгибаться аналогично крыльям жука-носорога удалось уменьшить возникающий при ударе концами крыльев дополнительный момент по оси рысканья на две трети в сравнении с негнущимся крылом. Это позволяет дрону возвращаться к стабильному полету после соударения, тогда как в случае с крылом без механизма сгибания такие удары приводят к падению орнитоптера. Также инженеры продемонстрировали способность орнитоптера со сгибаемым крылом пролетать между двумя препятствиями, ширина промежутка между которыми меньше, чем размах крыльев аппарата, что невозможно для махолетов с обычной конструкцией крыльев.

амортизация удара крылом
амортизация удара крылом

Для того чтобы повысить шансы на выживание летающих дронов в пространстве с большим количеством препятствий инженеры не только укрепляют и совершенствуют их конструкцию, но и оснащают эффективными алгоритмами. Например, американские инженеры использовали методы глубокого обучения для того, чтобы научить рой дронов прокладывать путь в захламленных помещениях, не сталкиваясь с окружением и друг с другом.