Роботы весом менее грамма могут заменить пчел и других опылителей

Ученые из Массачусетского технологического института утверждают, что новый вид порода крошечных летающих роботов весом менее одного грамма может занять место пчел в качестве опылителей на вертикальных фермах. Группа из пяти исследователей МТИ в этом месяце опубликовала статью о разработанной ими новой конструкции, которая, по их словам, значительно улучшает точность и маневренность полета по сравнению с предыдущими типами насекомообразных «микроавиационных транспортных средств», или MAV.

В исследовании, опубликованном 15 января в журнале Science Robotics, говорится, что новый тип «роботизированной пчелы» минимизирует механическую нагрузку на искусственные сгибы крыльев, что позволяет быстрее выполнять маневры, повышает выносливость и увеличивает срок службы.

Важность для вертикального земледелия

Имитация естественного опыления необходима для того, чтобы вертикальное земледелие — метод, использующий ИИ и искусственное освещение для выращивания растений в закрытых помещениях — вышло за рамки производства преимущественно листовой зелени, такой как салат-латук, и трав, которые можно выращивать гидропонным способом с относительно небольшим количеством воды.

Это связано с тем, что для выращивания почти трети потребляемых нами культур необходимо опыление. Но есть одна серьезная проблема — домашние медоносные пчелы не могут легко ориентироваться в помещении при искусственном освещении, а опыление вручную — чрезвычайно дорогой и трудоемкий процесс. Поэтому использование роботов-опылителей рассматривается некоторыми как потенциальный вариант.

Ученые работают над этой проблемой, потому что многие рассматривают вертикальное сельское хозяйство в городах как способ увеличить производство продуктов питания, поскольку, по прогнозам, к 2050 году население Земли превысит 9 миллиардов человек.

Технологические достижения

Одним из самых больших скачков, который может позволить вертикальному земледелию преодолеть существующие ограничения, станет переход к выращиванию культур, особенно фруктов и овощей, для опыления которых требуются пчелы или другие насекомые.

Список таких культур велик: картофель, лук, киви, сельдерей, горчица, брокколи, цветная капуста, арбуз, канталупа, персики и груши — это лишь малая часть. В общей сложности более 90 видов специальных культур нуждаются в опылении пчелами и другими насекомыми-опылителями.

В природе численность таких опылителей серьезно сокращается из-за инвазивных вредителей и болезней, воздействия пестицидов, потери среды обитания, утраты генетического разнообразия и изменения климата. А в помещениях одомашненные медоносные пчелы с трудом справляются со своими функциями при искусственном освещении.

Таким образом, результаты исследования, опубликованные МТИ, вызывают большой интерес в индустрии вертикального земледелия.

До сих пор основным недостатком использования крошечных БПЛА была их неспособность имитировать исключительную ловкость и точность воздушных насекомых, которые способны на удивительные подвиги, ставшие возможными благодаря их маленькому размеру и быстрому нейромоторному управлению.

Как заявляют ученые, новые роботы «совершают впечатляющие акробатические маневры, уклоняясь от хищников, восстанавливаясь после порыва ветра или приземляясь на движущиеся объекты».

«Во время полета крылья, суставы и сухожилия насекомых подвергаются большой деформации и высоким нагрузкам сотни раз в секунду, что подчеркивает исключительную гибкость и усталостную прочность биологических структур и материалов», — пишут авторы исследования.

Для сравнения, срок службы беспилотных летательных аппаратов «значительно короче», и они ограничены зависанием менее чем на 10 секунд или следованием по простым траекториям на низких скоростях.

Команда говорит, что их новая «робо-пчела» — это 750-миллиграммовый беспилотный летательный аппарат с машущим крылом, который продемонстрировал «значительно увеличенный срок службы, скорость, точность и маневренность».

Используя «конструкцию трансмиссии и шарниров, снижающую напряжение и деформацию при кручении вне оси», робот обеспечил 1000-секундный парящий полет — на целых два порядка дольше, чем существующие мини-БПЛА. Этот робот также выполнял сложные траектории полета, такие как двойное переворачивание тела, со скоростью вращения, «превышающей скорость самых быстрых воздушных насекомых и более крупных БПЛА».

По словам исследователей, самым важным достижением в конструкции MAV является способность уменьшить нагрузку на его искусственные «мышцы». Движение крыльев робота осуществляется с помощью крошечных мягких актуаторов, которые изготовлены из слоев эластомера, помещенных между двумя очень тонкими электродами из углеродных нанотрубок, а затем свернутых в «цилиндр». Когда актуаторы быстро сжимаются и растягиваются, они генерируют механическую силу, которая приводит к взмахам крыльев.

В предыдущих моделях эти «мышцы» сокращались с очень высокой частотой, что приводило к их деформации, снижая крутящий момент и маневренность робота. Но в новой версии эта деформация была уменьшена.

Наибольшую сложность представляло изготовление шарнира крыла, длина которого составляет около 2 сантиметров, а диаметр — всего 200 микрон. После долгих попыток инженеры добились успеха, усовершенствовав процесс лазерной резки, который позволил им точно изготовить каждый шарнир крыла.

Новое «роботизированное насекомое» может висеть почти 17 минут без ухудшения точности полета — в 100 раз дольше, чем когда-либо прежде — развивая при этом среднюю скорость 35 см в секунду, что является самым быстрым показателем.