![](https://habrastorage.org/webt/16/bb/dg/16bbdgsnmtmgkjq0a8zt5dwxaz4.png)
Несмотря на существование магнитных микроботов, ученые продолжают искать компромисс — простое и функциональное решение в конструировании крошечных роботов. Они могут быть полезны в медицине, разведке завалов и исследовании ареалов.
Под катом собрали перспективные проекты роботов-насекомых. Каких размеров и форм они бывают, как работают — рассказываем в подборке.
HAMR-F — робот-таракан
Миниатюризация приводит исследователей на стык электроники и «примитивных» механизмов. К первой группе относится последняя версия гарвардского робота-таракана HAMR-F, которая вышла в 2018 году.
![](https://habrastorage.org/webt/yj/1m/1p/yj1m1pjs5yyummsu2f6dxuevjlg.png)
HAMR-F. Источник
Цель была проста — сделать мобильного и небольшого робота для исследования труднодоступных мест.
Устройство HAMR-F
На борту установлены два микроконтроллера, приводы для управления клешнями и литий-полимерная батарея на 8 мАч. Полностью собранный робот весит 2,8 грамма, а его длина — 4,5 см. Относительно следующих проектов это много. HAMR-F не только самый габаритный, но и самый тяжелый среди «насекомых».
Возможности и перспективы
Зато робот опережает конкурентов в скорости: HAMR-F может пробежать 17,2 см за секунду. Это почти в 4 раза больше его длины.
Робот-муравей MicroTug
![](https://habrastorage.org/webt/3_/za/j9/3_zaj9us5llndxhygumd_gv3hkk.png)
MicroTug. Источник
В 2015 году ученые из Стэнфорда создали робота, который может передвигать массу, превышающую его собственную в 2000 раз. Притом, что масса «муравья» составляет 12 г.
Демонстрация возможностей MicroTug
Устройство робота
Можно подумать, что брюшко робота прилегает вплотную к поверхности и создает вакуум, но это не совсем так.
![](https://habrastorage.org/webt/gg/vu/u3/ggvuu3cugawzvo4swwcuq4loacy.png)
На брюшке расположен механизм, который опускает клейкую основу до упора с поверхностью. Трос подтягивает груз и робот отцепляется от поверхности. Такие рывки робот продолжает делать, пока не доползет до пункта назначения. В остальном устройство робота напоминает HAMR-F.
Как и HAMR-F, робот может исследовать только наземные объекты. Но это не единственная «среда обитания» роботов-насекомых. Доказательство этому — проект RoboBee.
RoboBee — пчела-рыба
В 2013 году группа ученых из Гарвардского университета представила робота-пчелу.
Невооруженным взглядом робота сложно отличить от летающего полосатого насекомого. Хотя, кажется, робот больше напоминает стрекозу.
![](https://habrastorage.org/webt/fq/o9/e0/fqo9e0pstxwvnskiqsi-t4jolde.png)
RoboBee. Источник
Его габариты соответствующие: длина — 3 см, масса — 80 мг. Даже звук от крыльев напоминает шелест крыльев стрекозы. Притом частота взмахов стрекозинных крыльев меньше, чем у RoboBee: 80 Гц против 120 Гц.
Взлет RoboBee
Устройство RoboBee
Системы управления RoboBee были разработаны с нуля. Крошечный робот использует пьезоэлектрические приводы, которые расширяются и сжимаются при воздействии электромагнитного поля. Пьезоэлектрический моторочик — одна из немногих миниатюрных альтернатив электромагнитных двигателей.
Корпус RoboBee выполнен из углеродистого волокна. Это придает роботу легкость и прочность. Крылья могут вращаться как синхронно, так и по отдельности.
![](https://habrastorage.org/webt/4y/9x/v6/4y9xv6iiebqq0kw0ckmdq0lszig.jpeg)
Конструкция RoboBee. Источник
Конкретно у первой модели есть проблемы с питанием. По аналогии с роботом-оригами Mori, о котором мы писали в предыдущей статье, к роботу через медный кабель подключен внешний источник питания. Оттого полеты RoboBee могут напоминать игру с воздушным змеем.
Полеты под водой
В 2015 году разработчики доработали проект и заявили, что робот может перемещаться под водой. Но не все так однозначно: вторая версия RoboBee способна лишь на переход из воздушной среды в воду.
RoboBee переходит из воздуха в воду
Робот не может сделать обратный переход из воды в воздух. Это связано с тем, что плотность воды в 100 раз больше плотности воздуха. Когда робот помещается в воду, частота взмахов тут же снижается до 9-13 Гц. Набрать обороты заново проблематично.
Решения проблем
Третья версия
В 2017 году инженеры показали миру третью версию RoboBee, которая умеет выныривать из воды. Робот стал меньше по длине (2 см), но тяжелее в два раза (175 мг).
Результата удалось достичь с помощью новых элементов в конструкции, которые помогают роботу на каждом этапе выныривания:
- Робот плывет к поверхности и собирает воду в воздушное отделение.
- Электролитическая пластина преобразует воду в газ, который выталкивает робота из воды. Угловые поплавки помогают роботу стабилизироваться.
![](https://habrastorage.org/webt/ws/nt/no/wsntnobzws0kb5ow3mnxfqdg-3g.gif)
RoboBee вылетает из воды. Источник
Четвертая версия
Через два года разработчики выпустили последнюю на сегодняшний день версию RoboBee. Робот может летать без подключения ко внешним источникам питания.
![](https://habrastorage.org/webt/lq/5i/wp/lq5iwpvn2nr2xhmzsg5y9dkg60u.png)
RoboBee 4*. Источник
Инженеры добились компромисса между массой и мощностью. Они разместили на борту пчелы аккумулятор, электронику и солнечные батареи для подзарядки «на лету». Кроме того, была добавлена вторая пара крыльев. Это нужно для увеличения грузоподъемности робота. Новая версия весит около 259 мг.
Однако робот не приспособлен к работе в водной среде, как и третья версия не может работать автономно. Появится ли универсальная версия — открытый вопрос. Если получится, проект подойдет для разведки любых местностей и завалов.
![](https://habrastorage.org/webt/1i/0i/3r/1i0i3rvjrsvzxd1cunh4g5pro8w.png)
Трехногий муравей DEAnsect
В некоторых задачах важно, чтобы робот мог выдержать, например, удар мухобойкой.
DEAnsect, удар мухобойкой
На это способен эластичный робот DEAnsect, разработанный в 2019 году учеными из политехнического университета Лозанны. Вернее, инженеры выпустили две модели DEAnsect, одна из которых — эластичная.
![](https://habrastorage.org/webt/tf/ys/zm/tfyszm8jmmeijxj2ksapapwjccu.png)
Модели проекта
Модель с батарейкой
Робот с аккумулятором, микросхемой и фотодиодами, благодаря которым он может двигаться по начерченному узору.
![](https://habrastorage.org/webt/5_/xu/_t/5_xu_toj1tiz8qrwuzcopqsbg7i.png)
Движение DEAnsect по траектории. Источник
В автономном режиме DEAnsect 1* может работать до 14 минут. Длина робота составляет всего 40 мм, а масса — 190 мг.
Проводная, без платы и фотодиодов
DEAnsect 2* — более «живучая» модель, так как текстолитовое основание заменено на упругую диэлектрическую подложку. На робота можно даже наступить, и ему ничего не будет.
Устройство и движение
В основе устройства — искусственные мускулы из упругой диэлектрической мембраны (эластомера), которые заключены между парами гибких электродов.
Механизм движения ножки DEAnsect
При подаче напряжения на электроды проводники притягиваются и стягивают мембраны. В результате мускулы вытягиваются и подтягивают за собой три ножки. При снятии напряжения мембраны возвращаются в исходное состояние, подтягивая уже тело к ножкам.
![](https://habrastorage.org/webt/gy/fe/ma/gyfemaiws8jouasha2s8dgkriw8.png)
Толщина каждой из ножек не превышает 18 мкм. Это тоньше крыла стрекозы. Шаги у них соответствующие — всего 20 мкм.
Ученым удалось достичь скорости до 3 см/c. Для этого каждая ножка должна делать по 450 шагов в секунду.
Движение ножки DEAnsect
Необычная гусеница — Electrostatic crawler
В 2017 году группа исследователей из США и Китая представила робота, способного передвигаться под действием постоянного напряжения.
![](https://habrastorage.org/webt/op/rs/ke/oprskejx8zncqzaipckgxoqsh5i.png)
Робот всего 20 мм в длину, а его масса — 190 мг. Конструктивно он состоит из легкого пластикового корпуса, оснований из углеродного волокна, электродов, лапок, керамического конденсатора и консольной балки (проволоки).
![](https://habrastorage.org/webt/ob/9t/ro/ob9trovfinkusrldph9h7f5brme.png)
Электроды, конденсатор и проволока нужны в механизме автоколебаний, который «заставляет» гусеницу двигаться.
Возможно, эти тексты тоже вас заинтересуют:
→ Модульные роботы: проекты, за которыми стоит следить
→ Малые ядерные реакторы как один из путей решения энергетического кризиса: NuScale все ближе к цели
→ Ноутбуки с гибкими экранами: реальные устройства и концепты, которые предлагают разные компании
Автоколебания и движение
К одному основанию прикреплена никель-титановая (NiTi) консольная балка (проволока), у нее есть свободные электроны. Сама проволока находится между электродными пластинами, которые заряжаются от конденсатора емкостью 10 нФ. Постепенно на электроды подается напряжение (3кВ) и пластины разноименно заряжаются.
![](https://habrastorage.org/webt/-r/jy/l2/-rjyl2pgmia-3my0c66sldjp0zs.png)
Электростатическое поле между анодом и катодом. Источник
Между электродными пластинами возникает напряжение и электрическое поле, которое «перемещает» проволоку со свободными электронами в сторону положительно заряженной пластины.
Коснувшись пластины, проволока «передает» на нее свободные электроны. Суммарный заряд проволоки становится положительным, а заряд пластины — «более нейтральным».
Теперь проволока двигается уже в сторону отрицательно заряженной пластины. При соприкосновении происходит то же самое. Стоит отметить, что конденсатор разряжается и компенсирует «похищенные» заряды на электродных пластинах.
Механизм автоколебаний микроконсоли подробно описан в отдельной статье.
В системе работает закон сохранения импульса. Когда проволока двигается, она изменяет суммарный импульс и отклоняет его от нуля.
Система стремится компенсировать отклонение, и робот начинает вращаться относительно задних ножек. Поворот происходит в стороны, противоположные направлениям движения проволоки. В результате гусеница движется по зигзагообразной траектории. Для наглядности покажем на схеме:
![](https://habrastorage.org/webt/mg/qg/jg/mgqgjgdosysk0ttjfv2_zy20cko.png)
Робот может перемещаться со скоростью 2 мм/c в течение 10 секунд. Длительность жизненного цикла ограничивается лишь емкостью конденсатора. Если знаете менее массивные и более высокоемкие альтернативы керамического конденсатора — напишите в комментариях.
RoBeetle — жук на метаноле
Предыдущие проекты сильно зависели от электричества. Альтернативу предлагают изобретатели из Лаборатории автономных роботов Университета Южной Калифорнии, которые изобрели RoBeetle.
Это робот-жук, способный передвигаться более двух часов без внешних источников питания. Кроме того, робот получился небольшим, с массой 88 мг и длиной 15 мм.
![](https://habrastorage.org/webt/sp/dv/uy/spdvuyul3sonvwtss1orzxpaifs.png)
RoBeetle. Источник
При чем здесь метанол
Долгосрочной автономности ученые добились с помощью жидкого топлива на метаноле, который питает искусственные мышцы из никель-титана. У сплава есть память формы. Мускулы растягиваются при нагреве и стягиваются при охлаждении. Также на поверхность мускул нанесен тонкий слой никеля.
На верхней стороне жука расположены отверстия, через которые испаряется метанол. Пары метанола при взаимодействии с нанесенным никелем приводят к окислению и нагреву никель-титановых проволок.
В результате мышца растягивается, вместе с ней движутся передние ноги RoBeetle. Одновременно с этим закрываются отверстия, через которые испаряется метанол. Проволока прекращает нагреваться и остывает, а мышца сокращается в обратную сторону и подтягивает за собой ноги с корпусом.
Движение робо-жука
Несмотря на то, что мышца нагревается за секунду до 100 ºС, она быстро охлаждается из-за небольших габаритов. Получается, чем быстрее нагрев и охлаждение мускулов, тем больше скорость передвижения RoBeetle.
Над чем стоит работать
Полный отказ от электроники — это преимущество и проклятие RoBeetle. Пока непонятно, как управлять роботом. Он умеет двигаться только вперед. Однако может нести на своих лапках груз массой 229 мг. Напомним, что сам робот весит 88 мг.
![](https://habrastorage.org/webt/gg/hp/zv/gghpzv7a3xeeyuovrap_amhkrjs.jpeg)
RoBeetle переносит груз. Источник
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Какой проект понравился больше?
1.72% HAMR-F1
8.62% MicroTug5
50% RoboBee29
3.45% DEAnsect2
1.72% Electrostatic crawler1
34.48% RoBeetle20
Проголосовали 58 пользователей. Воздержались 17 пользователей.