Смертоносное комбо: робот RAVEN получил всё лучшее от птиц, дронов и самолётов
Большинство уже известных дронов — это квадрокоптеры с винтами, которые успешно приземляются и взлетают практически в любом месте. Проблема в том, что их энергоэффективность ниже, чем у самолётов, которые гораздо дольше остаются в воздухе. Однако самолётам, чтобы оторваться от земли, необходима взлётно-посадочная полоса либо специальная пусковая установка.
Чтобы преодолеть эти ограничения и несовершенства, швейцарские исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны создали летающего робота с неподвижным крылом под названием RAVEN.
Название звучит и выглядит как английское слово «ворон», но заглавные буквы указывают на сокращение. Полное название Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments можно перевести как «вдохновлённый птицами роботизированный транспорт для различных сред». Вместо колёсных шасси — пара роботизированных лап. Главный инженер проекта Вон Дон Шин подчеркнул, что RAVEN может ходить, перепрыгивать через препятствия и взлетать, как настоящие птицы.
Против идеи приделать дронам лапы было два веских довода: рост массы и усложнение конструкции. Громоздкие и тяжёлые ноги современных роботов не подходили в принципе, так как задумывались для наземных устройств. Поэтому Шин с сотрудниками начали свой проект с изучения вопроса о массе ног у разных видов птиц.
Оказалось, что у пернатых соотношение массы нижних конечностей к их весу в целом пропорционально росту. (Кстати, понятие «птичьи лапы» не подразумевают всей нижней конечности, которая состоит у пернатых из пяти основных элементов, начиная от бедра и заканчивая пальцами, поэтому позволим себе здесь употреблять слово «ноги»). В общем, инженеры выяснили, что у ворона ноги весят около 100 г, что и взяли за точку отсчёта.
Роботизированные ноги, созданные группой Шина, очень похожи на настоящие птичьи. Для снижения веса пришлось пойти на упрощения: исключили суставы коленей и пальцев. В результате получилась конечность всего из двух сегментов, 64% веса которой пришлось на тазобедренный сустав.
Весь механизм приводит в движение носовой пропеллер, причём типичный, как у коптера. А вот голеностоп двигается с помощью системы шкивов и зубчатого ремня. Роботизированная нога заканчивается ступнёй с тремя пальцами, направленными вперёд, а один глядит назад.

Сравнение ходьбы с различными конструкциями стоп: в окончательной версии, без отдельного заднего пальца и с фиксированными пальцами
Однако конструкторы не только упрощали строение. От птиц взяли идею сложных конструктивных особенностей.
Шин встроил торсионную (спиральную) пружину в голеностопный сустав. Сгибаясь, нога робота накапливает энергию в пружине, а при выпрямлении пружина в сочетании с двигателем повышает скорость прыжка на целую четверть.
— Шин.
В итоге роботизированные ноги весили около 230 г, намного больше, чем у среднестститического ворона. Но и этого хватило, чтобы RAVEN мог ходить, прыгать, подниматься в воздух и летать.
Инженеры рассчитали необходимую скорость взлёта для двух птиц — с массой тела 490 г и чуть более 780 г: 1,85 м и 3,21 м в секунду соответственно. Исходя из этого, Шин подсчитал, что роботу «Ворон» для взлёта необходима скорость 2,5 м/с. При манере взлёта, как у птиц, он мог бы достичь этой скорости всего за 0,17 с. Два других подхода включали сброс с возвышенности, по типу мотодельтаплана, либо отрыв от земли за счёт винтов, как у коптера.

Покадровая съёмка наземных движений «Ворона»
Под энергоэффективностью создатели понимали соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии. Вырабатываемая энергия — это кинетическая и потенциальная энергия в момент взлёта, когда ноги перестают касаться земли. Потребляемая энергия рассчитывалась путём измерения мощности, используемой во время взлёта. В итоге выяснилось, что взлетать по-птичьи — выгоднее всего!
— Шин.
Затраты энергии при взлёте с помощью прыжка были немного выше, чем при использовании двух других стратегий, но несущественными образом. Для этого требовалось на 6,9% больше энергии, чем при взлёте со сбрасыванием вниз, и на 7,9% больше, чем при взлёте с места. Но в смысле затрат энергии «припрыжка» обеспечивала куда более высокое ускорение за счёт отдачи. В целом, прыжок с помощью «птичьих ног» был в 9,7 раз эффективнее, чем взлёт с места, и в 4,9 раза эффективнее, чем при полёте после сброса с возвышенности.
Чтобы доказать универсальность летающего робота с ногами, команда Шина поставила перед ним ряд задач, невыполнимых для типичного дрона. Так, RAVEN должен был пройти через помещение с низким потолком, перепрыгнуть через проём и заскочить на препятствие. В задранном положении, то есть касаясь хвостом земли, робот мог устойчиво ходить даже без контроллеров (устройств управления).
Ходьба решила проблему передвижения под низкими сводами. Для перепрыгивания через проёмы и препятствия пригодился тот же механизм, что и для взлёта: торсионные пружины и приводы. RAVEN мог перепрыгнуть через проём шириной 11 см и через препятствие высотой 26 см.
Но Шин признал, что потрудиться над «Вороном» предстоит ещё много, прежде чем новинка станет по-настоящему примечательной. Так, робот пока что не может преодолеть все препятствия за один раз — под каждую задачу его надо перепрограммировать по отдельности.
Проблема в том, что система управления ещё не адаптивна. Это означает, что приводы в ногах следуют заранее заданным алгоритмам движений, чтобы направить робота по траектории, которую инженеры рассчитали с помощью компьютерного моделирования. В общем, встретив на пути незапланированное препятствие, нынешний RAVEN в него врежется.
Другая проблема — RAVEN не может приземляться на ноги. Вот почему инженеры хотят встроить несколько датчиков, как для восприятия картинки, так и тактильные. Благодаря им «Ворон» будет в точности знать, где именно место посадки.
Ещё одна модификация, которая появится у несовершенной концепции — это складные крылья, чтобы робот мог протискиваться в узкие пространства. К тому же машущие крылья очень важны и для посадки, потому что птицы замедляют полёт в первую очередь за счёт них.
— Шин.
Разработчики утверждают, что готовят своё детище для участия в поисково-спасательных операциях. Идея состоит в том, что летающие роботы с ногами смогут быстро добираться до пострадавших от стихийных бедствий: приземляться, при необходимости преодолевать сложный рельеф пешком, а затем взлетать, как птицы.
Ещё одно возможное применение — доставка посылок. В Швейцарии инженеры часто видели, как вертолёты доставляют почту живущим высоко в горах. Дрон, похожий на птицу, мог бы делать это гораздо дешевле.
Успехи робототехники вызывают и восхищение, и тревогу. Причём пугающий аспект не зависит от создателей новинки. Когда «Ворон» будет уже близок к совершенству, купившие его сами будут решать, что доставлять — почту, еду или боеприпасы.
Чтобы преодолеть эти ограничения и несовершенства, швейцарские исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны создали летающего робота с неподвижным крылом под названием RAVEN.
Название звучит и выглядит как английское слово «ворон», но заглавные буквы указывают на сокращение. Полное название Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments можно перевести как «вдохновлённый птицами роботизированный транспорт для различных сред». Вместо колёсных шасси — пара роботизированных лап. Главный инженер проекта Вон Дон Шин подчеркнул, что RAVEN может ходить, перепрыгивать через препятствия и взлетать, как настоящие птицы.
Против идеи приделать дронам лапы было два веских довода: рост массы и усложнение конструкции. Громоздкие и тяжёлые ноги современных роботов не подходили в принципе, так как задумывались для наземных устройств. Поэтому Шин с сотрудниками начали свой проект с изучения вопроса о массе ног у разных видов птиц.
Оказалось, что у пернатых соотношение массы нижних конечностей к их весу в целом пропорционально росту. (Кстати, понятие «птичьи лапы» не подразумевают всей нижней конечности, которая состоит у пернатых из пяти основных элементов, начиная от бедра и заканчивая пальцами, поэтому позволим себе здесь употреблять слово «ноги»). В общем, инженеры выяснили, что у ворона ноги весят около 100 г, что и взяли за точку отсчёта.
Роботизированные ноги, созданные группой Шина, очень похожи на настоящие птичьи. Для снижения веса пришлось пойти на упрощения: исключили суставы коленей и пальцев. В результате получилась конечность всего из двух сегментов, 64% веса которой пришлось на тазобедренный сустав.
Весь механизм приводит в движение носовой пропеллер, причём типичный, как у коптера. А вот голеностоп двигается с помощью системы шкивов и зубчатого ремня. Роботизированная нога заканчивается ступнёй с тремя пальцами, направленными вперёд, а один глядит назад.

Сравнение ходьбы с различными конструкциями стоп: в окончательной версии, без отдельного заднего пальца и с фиксированными пальцами
Однако конструкторы не только упрощали строение. От птиц взяли идею сложных конструктивных особенностей.
Шин встроил торсионную (спиральную) пружину в голеностопный сустав. Сгибаясь, нога робота накапливает энергию в пружине, а при выпрямлении пружина в сочетании с двигателем повышает скорость прыжка на целую четверть.
Птицы могут накапливать энергию в своей мышечно-суставной системе во время сгибания и очень быстро высвобождать её во время разгибания для прыжка.
Задача пружины состояла в том, чтобы имитировать этот механизм, что и сработало, причём неплохо. На самом деле это увеличило скорость прыжка на 25 процентов
Задача пружины состояла в том, чтобы имитировать этот механизм, что и сработало, причём неплохо. На самом деле это увеличило скорость прыжка на 25 процентов
— Шин.
В итоге роботизированные ноги весили около 230 г, намного больше, чем у среднестститического ворона. Но и этого хватило, чтобы RAVEN мог ходить, прыгать, подниматься в воздух и летать.
Инженеры рассчитали необходимую скорость взлёта для двух птиц — с массой тела 490 г и чуть более 780 г: 1,85 м и 3,21 м в секунду соответственно. Исходя из этого, Шин подсчитал, что роботу «Ворон» для взлёта необходима скорость 2,5 м/с. При манере взлёта, как у птиц, он мог бы достичь этой скорости всего за 0,17 с. Два других подхода включали сброс с возвышенности, по типу мотодельтаплана, либо отрыв от земли за счёт винтов, как у коптера.

Покадровая съёмка наземных движений «Ворона»
Под энергоэффективностью создатели понимали соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии. Вырабатываемая энергия — это кинетическая и потенциальная энергия в момент взлёта, когда ноги перестают касаться земли. Потребляемая энергия рассчитывалась путём измерения мощности, используемой во время взлёта. В итоге выяснилось, что взлетать по-птичьи — выгоднее всего!
Оказалось, что взлетать вприпрыжку — самая энергоэффективная стратегия. Это было довольно неожиданно
— Шин.
Затраты энергии при взлёте с помощью прыжка были немного выше, чем при использовании двух других стратегий, но несущественными образом. Для этого требовалось на 6,9% больше энергии, чем при взлёте со сбрасыванием вниз, и на 7,9% больше, чем при взлёте с места. Но в смысле затрат энергии «припрыжка» обеспечивала куда более высокое ускорение за счёт отдачи. В целом, прыжок с помощью «птичьих ног» был в 9,7 раз эффективнее, чем взлёт с места, и в 4,9 раза эффективнее, чем при полёте после сброса с возвышенности.
Чтобы доказать универсальность летающего робота с ногами, команда Шина поставила перед ним ряд задач, невыполнимых для типичного дрона. Так, RAVEN должен был пройти через помещение с низким потолком, перепрыгнуть через проём и заскочить на препятствие. В задранном положении, то есть касаясь хвостом земли, робот мог устойчиво ходить даже без контроллеров (устройств управления).
Ходьба решила проблему передвижения под низкими сводами. Для перепрыгивания через проёмы и препятствия пригодился тот же механизм, что и для взлёта: торсионные пружины и приводы. RAVEN мог перепрыгнуть через проём шириной 11 см и через препятствие высотой 26 см.
Но Шин признал, что потрудиться над «Вороном» предстоит ещё много, прежде чем новинка станет по-настоящему примечательной. Так, робот пока что не может преодолеть все препятствия за один раз — под каждую задачу его надо перепрограммировать по отдельности.
Проблема в том, что система управления ещё не адаптивна. Это означает, что приводы в ногах следуют заранее заданным алгоритмам движений, чтобы направить робота по траектории, которую инженеры рассчитали с помощью компьютерного моделирования. В общем, встретив на пути незапланированное препятствие, нынешний RAVEN в него врежется.
Другая проблема — RAVEN не может приземляться на ноги. Вот почему инженеры хотят встроить несколько датчиков, как для восприятия картинки, так и тактильные. Благодаря им «Ворон» будет в точности знать, где именно место посадки.
Ещё одна модификация, которая появится у несовершенной концепции — это складные крылья, чтобы робот мог протискиваться в узкие пространства. К тому же машущие крылья очень важны и для посадки, потому что птицы замедляют полёт в первую очередь за счёт них.
Когда RAVEN захлопает крыльями, это будет настоящий робот-птица
— Шин.
Разработчики утверждают, что готовят своё детище для участия в поисково-спасательных операциях. Идея состоит в том, что летающие роботы с ногами смогут быстро добираться до пострадавших от стихийных бедствий: приземляться, при необходимости преодолевать сложный рельеф пешком, а затем взлетать, как птицы.
Ещё одно возможное применение — доставка посылок. В Швейцарии инженеры часто видели, как вертолёты доставляют почту живущим высоко в горах. Дрон, похожий на птицу, мог бы делать это гораздо дешевле.
Успехи робототехники вызывают и восхищение, и тревогу. Причём пугающий аспект не зависит от создателей новинки. Когда «Ворон» будет уже близок к совершенству, купившие его сами будут решать, что доставлять — почту, еду или боеприпасы.
- Дмитрий Ладыгин
- nature.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Математики сняли с человечества одно из самых страшных обвинений за всю историю
Новое исследование показало, что наши далекие предки не уничтожали неандертальцев. Все было совсем иначе…...
Пока мы искали внеземной разум на далеких звездах, аппараты пришельцев могли находиться у нас под носом
Новое исследование рассказывает, почему традиционные стратегии поиска братьев по разуму — это провал. Надо действовать по-другому...
Спутники докладывают: Африка прямо на глазах… рвется на части
Эксперты рассказали, почему новый шестой океан рождается с поразительной скоростью...
Невероятно, но Исландия официально объявила, что начинает готовиться... к новому ледниковому периоду
Эксперты рассказали, что ждать России и почему отсидеться не получится...
В России найдена уникальная научная коллекция, которая полвека считалась пропавшей без следа
В этой истории совпало все: великий ученый, детективный сюжет и счастливый случай...
Археологические находки раскрыли новые тайны места, где, согласно Библии, произойдет последняя битва добра и зла
Древние артефакты подтвердили догадки ученых, почему Армагеддон стал главным символом Конца Света...
Как прорывной российский метод начнет новый алмазный бум в Якутии?
Эксперты говорят: даже «слепые зоны» теперь не помеха для поисков...
Саратовский «бутерброд» позволит смартфонам работать дольше… до 100 раз
Эксперты говорят: «Новая российская технология не использует электроны, а потому способна вывести индустрию из тупика»...
Ставки повышаются! Уже 30%! Именно на столько может вырасти угроза катастрофы астероида 2024 YR4
Астрофизики рассказали, почему удар по Луне очень опасен для нашей планеты?...
Обезглавленный фараон: почему эту историю о Тутанхамоне пытались навсегда скрыть от широкой публики?
Эксперты говорят: слишком мрачно, слишком шокирующе даже для подготовленных людей...
Это удивительно: в среднем полосе России стали массово появляться редкие птицы
Ученые объяснили, почему эти уникальные изменения в природе могут считаться… биологической революцией...