Опубліковано: 20 квітня 2025 р. / Оновлено: 20 квітня 2025 р. – Автор: Konrad Wolfenstein
Біоміметика в мікроробототехніки з RoboBee та іншими: Як методи посадки комах стимулюють робототехніку – Креативне зображення: Xpert.Digital
Натхненний природою: Як біоміметика розширює межі робототехніки
Крихітні помічники: комахи-роботи підкорюють сільське господарство, медицину та багато іншого
Природа протягом мільйонів років розробляла чудові рішення для складних проблем. Саме ця ефективність та елегантність природних систем дедалі більше надихає вчених на розробку передових технологій робототехніки. Зокрема, в галузі мікророботики біоміметика, натхненна комахами, призвела до вражаючих проривів. Перш за все, нещодавні досягнення в технологіях посадки мікророботів, натхненні такими комахами, як журавлі та бджоли, вражаюче демонструють, як природа може служити взірцем для інноваційних технічних рішень.
Основи біоміметики в робототехніці
Біоміметика, також відома як біоніка, описує систематичне перенесення механізмів і процесів з природи в технології. Цей міждисциплінарний підхід привертає все більшу увагу в таких галузях, як матеріалознавство, робототехніка, відновлювана енергетика, медицина та інформаційні технології. Замість того, щоб просто копіювати природу один до одного, вчені прагнуть зрозуміти основні принципи та адаптувати їх для технічних застосувань.
Інженери завжди черпали натхнення з природи, пояснює Гартмут Вітте, керівник кафедри біомехатроніки в Технічному університеті Ільменау. Біоніка слугує методом не лише для просування та систематизації цієї здатності до асоціації, але й для розширення основи для розробки технічних продуктів. Еволюція створила організми, які ідеально адаптовані до навколишнього середовища, і ці адаптації забезпечують цінні моделі для інновацій у технологіях.
Коли біологічні принципи застосовуються до технологій, стає зрозуміло, що справжню біоніку не можна розпізнати за зовнішніми ознаками, пояснює Вітте. Йдеться не про просте наслідування зовнішньої форми, а про адаптацію функціональних принципів, які були вдосконалені в природі.
Підходить для цього:
Мікророботи, натхненні комахами: технічні дива в мініатюрі
Комахи, завдяки своїм розмірам, ефективності та надзвичайним здібностям, слугують ідеальними моделями для розробки мікророботів. Їхні високорозвинені характеристики польоту, механізми пересування та адаптивність надихнули дослідників у всьому світі на технічне відтворення цих біологічних систем.
RoboBee: літаючий мікроробот Гарварду
Одним із найвідоміших прикладів робототехніки, натхненної комахами, є RoboBee Гарвардського університету. Цей крихітний літаючий робот важить лише одну десяту грама та має розмах крил лише 3 сантиметри. RoboBee складається з трьох основних компонентів: корпусу з вуглецевого волокна, тонких крил та «мозку», що складається з масиву інтелектуальних датчиків.
Крила приводяться в рух п'єзоелектричними актуаторами – типом штучного м'яза, який перетворює електричну енергію на рух. Ця технологія дозволяє мікророботу літати, зависати та виконувати складні маневри, як справжня бджола.
Подальші приклади мікророботів, натхненних комахами
Інженери Каліфорнійського університету в Берклі розробили ще меншого літаючого робота, натхненного комахами. З діаметром менше 1 см і вагою лише 21 мг, це найменший у світі бездротовий робот, здатний до керованого польоту. Однак, на відміну від RoboBee, цей робот використовує зовнішні магнітні поля для руху та керування.
Дослідники біоніки з Технологічного інституту Джорджії розробили мікророботів, які імітують поведінку мурах. Ці крихітні роботи мають розміри всього 1,8 міліметра завширшки, 0,8 міліметра завтовшки та важать приблизно 5 міліграмів. Бачення дослідників: рої цих електронних комах могли б взяти на себе запилення рослин у сільському господарстві.
Завдання безпечної посадки
Однією з найбільших проблем для літаючих мікророботів є безпечна посадка. Через свої малі розміри та легку вагу вони особливо чутливі до турбулентності повітря та нестабільності, особливо поблизу землі.
Проблема з посадкою RoboBee
«Досі під час посадки ми вимикали апарат над землею, просто скидали його та молилися, щоб він приземлився вертикально та безпечно», – пояснює Крістіан Чан, докторант дослідницької групи Гарварду. Така неконтрольована посадка становила значний ризик для чутливих п’єзоелектричних приводів робота та делікатних крил, які могли легко пошкодитися під час удару.
Проблему посилював так званий ефект ґрунту – турбулентність повітря, спричинена маханнями крил, що призводить до нестабільності під час посадки. Ці аеродинамічні проблеми особливо ускладнюють контрольовану посадку крихітних літальних роботів.
Рішення для посадки, натхненне комарам
Щоб вирішити цю проблему, вчені Гарвардського університету звернули увагу на журавля, комаху, розміри якої схожі на РобоБджолу. Журавель здатний виконувати елегантні посадки на найрізноманітніші поверхні завдяки своїм довгим, гнучким лапам, які пом'якшують удар.
Натхненна цією природною моделлю, команда розробила нове шасі для RoboBee: чотири довгі шарнірні ноги, подібні до тих, що є у кранового муха. Ці ноги достатньо довгі та гнучкі, щоб забезпечити безпечний контакт усіх ніг із землею, перш ніж основний корпус робота постраждає від проблемної турбулентності повітря.
Окрім механічних удосконалень, вчені також адаптували систему керування польотом робота, взявши за основу поведінку журавлів під час посадки. Вони розганяються з положення зависання, потім сповільнюються до цілі посадки та приземляються з низькою швидкістю удару. Решта енергії удару потім поглинається механічним шасі.
Альтернативні методи посадки для мікророботів
Ще один метод посадки, натхненний комахами, був розроблений дослідниками Гарвардського університету для попередніх версій RoboBee. Хоча справжні комахи часто використовують якийсь клей, щоб чіплятися за вертикальні поверхні, дослідники покладалися на електростатичне притягання, щоб прикріпити робота до підкладки. Цей підхід вимагає лише невеликої кількості енергії для фіксації легкого робота на місці.
Ще одна визначна розробка належить до Нанкінського університету аеронавтики та астронавтики (NUAA), де дослідники створили робота-комаху, який поєднує в собі можливості польоту та лазіння. Цей робот може приземлятися на вертикальну стіну, підніматися по ній і знову злітати – здатність, яку він продемонстрував на різних матеріалах, таких як скло, дерево, мармур і навіть кора дерев.
Біоміметичні підходи, що виходять за рамки технології посадки
Природа надихає робототехніків не лише на розробку методів посадки, але й на численні аспекти мікроробототехніки. Від механізмів пересування та систем зчеплення до концепцій руху – природа пропонує багатий запас рішень.
Удосконалені системи руху
Дослідницька група Гарвардського університету розробила мікрокомах-робота під назвою «Маленька лють» зі штучним «хвостом», натхненним ногохвостками. Цей робот може стрибати на вражаючі 1,4 метра, що в 23 рази перевищує довжину його тіла. Механізм стрибка базується на «вилиці» ногохвостки, яка функціонує як стиснута пружина.
Дослідники кафедри біомехатроніки Технічного університету Ільменау створили невелику роботизовану гусеницю, оснащену так званою «стрічкою гекона». Цей матеріал був натхненний адгезивними механізмами геконів, павуків та жуків, які можуть ходити по вертикальних поверхнях і навіть стелях без клейких рідин.
Автономна навігація та поведінка рою
Ще однією важливою галуззю біоміметичної робототехніки є автономна навігація. Вчені з Лундського університету у Швеції розробили концепцію нової системи орієнтації дронів, заснованої на поведінці уникнення комах. Спостереження показали, що бджоли використовують інтенсивність світла для навігації та уникнення перешкод.
Дослідники в Угорщині перенесли ройову поведінку комах на дрони. Використовуючи нещодавно розроблений алгоритм, до дев'яти окремих літальних апаратів можуть літати у формі та таким чином орієнтуватися навіть у складних середовищах, таких як міста.
Підходить для цього:
Потенціал застосування та майбутні перспективи
Мікророботи, натхненні комахами, обіцяють широкий спектр застосування в різних галузях.
Моніторинг сільського господарства та навколишнього середовища
Одним із найцікавіших потенційних застосувань є штучне запилення. З огляду на глобальне скорочення популяцій бджіл, рої роботів-бджіл одного дня можуть допомогти запилювати рослини. Крім того, ці мікророботи можуть бути використані для моніторингу навколишнього середовища, щоб збирати дані про умови навколишнього середовища, недоступні для великих дронів.
Розвідка та ліквідація наслідків стихійних лих
Завдяки своїм невеликим розмірам, мікророботи, натхненні комахами, можуть бути використані для дослідження обмежених просторів, зруйнованих будівель або інших складних середовищ. У зонах стихійного лиха вони можуть надавати цінну інформацію, не наражаючи на небезпеку людей.
Медичні застосування
У довгостроковій перспективі мініатюрні роботи можуть бути використані навіть у медичній галузі. Групи крихітних роботів потенційно могли б ставити діагнози або навіть проводити лікування всередині людського тіла.
Поточні обмеження та майбутній розвиток
Незважаючи на вражаючий прогрес, мікророботи, натхненні комахами, все ще стикаються зі значними труднощами. Наприклад, наразі RoboBee все ще підключений до зовнішніх систем керування за допомогою кабелів, що обмежує його мобільність. Дослідники працюють над мініатюризацією датчиків, систем керування та джерела живлення, щоб їх можна було інтегрувати безпосередньо в літаючого робота.
Мініатюризація цих компонентів вважається «потрійним святим Граалем» мікроробототехніки та створює величезні технічні труднощі. Тим не менш, бачення дослідників чітке: повністю автономні рої мікророботів, здатні виконувати складні завдання в різноманітних середовищах.
Природа як інженер: Досягнення в мікроробототехніки
Біоміметика здійснила революцію в розвитку мікроробототехніки, дозволивши інженерам скористатися перевагами мільйонів років еволюційної оптимізації. Нещодавні досягнення в техніках посадки мікророботів, таких як RoboBee, натхненних комахами, вражаюче демонструють потенціал цього підходу.
Імітуючи природні системи, дослідники не лише розробляють ефективніших та надійніших роботів, але й отримують цінну інформацію про самі біологічні механізми. Як пояснює Алісса Ернандес, постдокторантка та співавторка дослідження RoboBee: «Ми можемо використовувати ці роботизовані платформи як інструменти для біологічних досліджень та проводити дослідження, що перевіряють біомеханічні гіпотези»
Майбутнє біоміметичної робототехніки обіцяє подальші захопливі розробки, оскільки дослідники продовжують використовувати невичерпне джерело натхнення природи для подолання технологічних викликів нашого часу. Шлях від спостереження за природними явищами до їх технологічного впровадження не завжди легкий, але, як демонструє історія успіху RoboBee, це може призвести до новаторських інновацій, які можуть революціонізувати численні сфери нашого життя.
Підходить для цього:
Ваш глобальний партнер з маркетингу та розвитку бізнесу
☑ Наша ділова мова - англійська чи німецька
☑ Нове: листування на вашій національній мові!
Konrad Wolfenstein
Я радий бути доступним вам та моїй команді як особистого консультанта.
Ви можете зв’язатися зі мною, заповнивши тут контактну форму або просто зателефонуйте мені за номером +49 89 674 804 (Мюнхен) . Моя електронна адреса: Вольфенштейн ∂ xpert.digital
Я з нетерпінням чекаю нашого спільного проекту.
