25.11.2015

Микророботы бегают и прыгают по воде

Водомерки – это маленькие насекомые, которые всю свою жизнь бегают по поверхности воды в болотах, озерах и других водоемов, используя поверхностное натяжение воды, благодаря которому их тельца остаются сухими. Наблюдать за таким бегом по поверхности воды – занимательное занятие. И так же интересно думать о физике их передвижения: как можно сделать то, что они делают?

Мало того, водомерки могут выпрыгнуть из воды на какой-нибудь предмет. В момент прыжка их лапки прилагают к поверхности воды значительно большую силу, чем во время бега. И вода не «прорывается». В противном случае, водомерка, минимум, вымокла бы до нитки. Чтобы лучше изучить эти интересные особенности водомерок, южнокорейские робототехники построили робота-водомерку.

А инженеры-робототехники из Харбинского политехнического университета в Китае, «вдохновленные» роботом-водомеркой, показали своего прыгающего микроробота (хотя он заметно крупнее робота-водомерки).

Его «ноги» сделаны из никелевой «пены». И, несмотря на то, что робот весит 11 граммов, он может прыгнуть на высоту 14 сантиметров, что впечатляет.

А другая группа исследователей построила еще более продвинутую модель робота-водомерки, которая размером с водомерку, выглядит, бегает и прыгает, как водомерка.

Настоящие водомерки являются прекрасными прыгунами. И, после многократных просмотров видеофильмов замедленного движения насекомых, исследователи смогли понять, как они управляют своими конечностями. Движение водомерок полностью основано на использовании поверхностного натяжения, чтобы держать себя над поверхностью воды. Чтобы подпрыгнуть, водомерка очень плавно отталкивается от водной поверхности. Она очень боится «разорвать» поверхность воды. Потому, что, если это произойдёт, она потратит на прыжок много энергии, а прыжок будет неэффективным. Чтобы избежать этого, водомерка во время выполнения прыжка, контролирует пиковую силу давления на поверхность воды, чтобы она была всё время чуть ниже силы, которая «сломала» бы поверхностное натяжение воды (приблизительно 144 мН/м²).

Робот с размером тела 2 см и массой 68-миллиграмм подражает поведению настоящей водомерки. Его ноги покрыты супер водоотталкивающим материалом, а пальцы ног изгибаются точно так же, как у настоящего насекомого. «Мышца», которая обеспечивает прыжок – «биовдохновленная» катапульта вращающего момента на подобии лапки блохи. Когда нужно, она прикладывает к ногам робота постепенно нарастающую сумму вращающего момента, плавно толкая их вниз, и достигая максимального вертикального ускорения робота в самом конце отталкивания.

Эксперименты показали, что робот отрывается от поверхности воды с пиковой скоростью 1.6 м/с, и, в результате, подпрыгивает на высоту 142 мм. Динамическое моделирование предполагает, что робот оказывает почти предельное давление на поверхность воды. Робот лучше прыгает по воде, чем по земле, возможно, потому, что демпферирование колебания ног поверхностью воды делает прыжок более эффективным.

Источники:

1. roboting.ru