Перекати-поле вдохновило на создание этого устойчивого робота. Робот, созданный под влиянием перекати-поля, может стать первым представителем нового поколения энергоэффективных исследователей, которые будут проникать в зоны будущих катастроф.
Механизм гибридного энергоэффективного ровера для исследовательских систем (HERMES)
Механизм гибридного энергоэффективного ровера для исследовательских систем (HERMES), описанный в журнале Nature Communications, напоминает пустынных странников. Его создатель изначально задумал эту идею, наблюдая за тем, как люди наслаждаются ветром ради удовольствия.
«Вдохновение пришло в ветреный зимний день на берегу озера Невшатель (в западной Швейцарии)», — сказал Санджай Манохаран, соавтор исследования и исследователь в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL). «Я наблюдал, как кайтсёрферы используют ветер, чтобы прочерчивать широкие дуги и достигать лёгких подъёмов… Но я понял, что природа уже усовершенствовала это искусство задолго до нас».
Как работает перекати-поле?
Перекати-поле — это не только символ, но и эффективное средство передвижения. Несмотря на то что оно выглядит как случайная масса веток, эти кочующие растительные оболочки используют окружающий ветер для преодоления больших расстояний. Однако перекати-поле не просто бесполезные растительные отходы. Они часто распространяют семена во время своих путешествий.
Инженеры из исследовательской группы Манохарана изучили, как эти образования из веток настолько манёвренны, несмотря на то что создают большее сопротивление, чем сплошная сфера. Они провели эксперименты в аэродинамической трубе, основанные на вычислительной гидродинамике, чтобы проанализировать эту динамику.
Результаты выявили неожиданную, ранее не описанную структурную особенность перекати-поля. Проще говоря, растительные остатки более пористые сверху, чем снизу. Эта асимметрия изменяет динамику следа, одновременно увеличивая сопротивление давления перекати-поля.
«В вертикальном положении верхняя половина, будучи более пористой, позволяет воздушному потоку проходить свободно. В то же время нижняя половина более плотная и, следовательно, оказывает большее сопротивление», — объяснили авторы исследования.
HERMES в действии
Инженеры внедрили эти результаты в конструкцию робота, напечатанного с помощью 3D-лазерного формования. Окончательный продукт включает в себя лёгкую оболочку с асимметричной пористостью.
Конечная версия их творения, получившая название HERMES, оказалась гораздо более эффективной, чем естественные перекати-поле или искусственные сферы. Даже при более высокой силе сопротивления HERMES легко катился при скорости ветра всего 5,3 км/ч.
Во время полевых испытаний робот успешно преодолевал крутые склоны и составлял карты GPS-сетей. HERMES перемещался по этой местности, одновременно передавая геотегированные данные на большие расстояния.
Ветер не всегда является гарантированным источником топлива. Однако команда Манохарана установила внутри сферы лёгкий квадрокоптер, предназначенный для работы в четырёх режимах: переворот, направленное вращение, планирование и даже прыжки в воздухе.
В результате получился робот, созданный на основе одного из самых элегантных проектов природы. Во время испытаний в лабиринте HERMES использовал на 48% меньше энергии, чем робот, требующий постоянного управления, и закончил лабиринт на 37% быстрее. Даже когда требовалось быстрое моторизованное корректирование курса, робот всё равно экономил от 90 до 95% энергии, используемой в машине с постоянным питанием.
«Если дует ветер и робот катится, он остаётся абсолютно пассивным, расходуя нулевую энергию. Если движение останавливается на определённый период, он пытается совершить толчок с низким энергопотреблением — быстрый импульс двигателя для изменения положения. Полёт — это всегда крайняя мера», — сказал Манохаран.
При дополнительных усовершенствованиях и тонкой настройке такие роботы, как HERMES, однажды могут быть задействованы в опасных зонах катастроф, минных полях и даже на ветреных соседних планетах, таких как Марс.
«Руководящая философия проста и энергоэффективна», — пояснил Манохаран.