De RoboBee - de op insecten geïnspireerde microrobot die is ontwikkeld door onderzoekers van de Harvard University - is het lichtste voertuig geworden dat ooit een aanhoudende vlucht heeft gemaakt zonder de hulp van een netsnoer. Na tientallen jaren werk, de onderzoekers bereikten een ongebonden vlucht door verschillende belangrijke wijzigingen aan de RoboBee aan te brengen, inclusief de toevoeging van een tweede paar vleugels. die verandering, samen met minder zichtbare veranderingen aan de aandrijvingen en overbrengingsverhouding, gaf de RoboBee genoeg lift voor de onderzoekers om zonnecellen en een elektronicapaneel te bevestigen.

In het Harvard Microrobotics Lab, op een late namiddag in augustus, decennia van onderzoek culmineerden in een moment van stress toen de kleine, baanbrekende Robobee maakte zijn eerste solovlucht.

Afgestudeerde studente Elizabeth Farrell Helbling, doctoraat '19, en postdoctoraal fellow Noah T. Jafferis van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), de Graduate School of Arts and Sciences en The Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering legden het moment vast op camera.

Helbling, die zes jaar aan het project heeft gewerkt, afgeteld.

"Drie, twee, een, Gaan."

De heldere halogenen gingen aan en de op zonne-energie werkende Robobee ging de lucht in. Voor een angstaanjagende seconde, de kleine robot, nog steeds zonder besturing en controle aan boord, in de richting van de lichten renden.

Uit de camera, riep Helbling uit en schakelde de stroom uit. De Robobee viel dood uit de lucht, gevangen door zijn Kevlar-veiligheidsharnas.

"Dat kwam heel dicht bij mij, "Helbling zei, met een nerveus lachje.

"Het ging omhoog, "Jafferis, die ook ongeveer zes jaar aan het project heeft gewerkt, reageerde opgewonden vanaf de high-speed cameramonitor waar hij de test aan het opnemen was.

En met dat, De Robobee van Harvard University bereikte zijn laatste belangrijke mijlpaal:hij werd het lichtste voertuig dat ooit een aanhoudende ongebonden vlucht kon maken.

"Dit is een resultaat van tientallen jaren in de maak, " zei Robert Wood, Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences bij SEAS, Kernfaculteitslid van het Wyss Institute en hoofdonderzoeker van het Robobee-project. "Het aandrijven van vluchten is iets van een Catch-22, aangezien de afweging tussen massa en vermogen uiterst problematisch wordt op kleine schaal waar vluchten inherent inefficiënt is. Het helpt niet dat zelfs de kleinste in de handel verkrijgbare batterijen veel meer wegen dan de robot. We hebben strategieën ontwikkeld om deze uitdaging aan te gaan door de voertuigefficiëntie te verhogen, het creëren van extreem lichtgewicht stroomcircuits, en het integreren van hoogrenderende zonnecellen."

De mijlpaal wordt beschreven in Natuur .

Om een ​​ongebonden vlucht te bereiken, deze laatste versie van de Robobee heeft verschillende belangrijke veranderingen ondergaan, inclusief de toevoeging van een tweede paar vleugels.

"De verandering van twee naar vier vleugels, samen met minder zichtbare veranderingen in de actuator en overbrengingsverhouding, maakte het voertuig efficiënter, gaf het meer lift, en stelde ons in staat om alles wat we nodig hebben aan boord te zetten zonder meer stroom te gebruiken, ' zei Jafferis.

(De toevoeging van de vleugels leverde deze Robobee ook de bijnaam X-Wing op, na de viervleugelige starfighters uit Star Wars.)

Die extra lift, zonder extra stroomvereisten, stelden de onderzoekers in staat om het netsnoer door te snijden - dat de Robobee bijna tien jaar aan de lijn heeft gehouden - en zonnecellen en een elektronicapaneel aan het voertuig te bevestigen.

De zonnecellen, de kleinste in de handel verkrijgbare, weeg elk 10 milligram en ontvang 0,76 milliwatt per milligram vermogen wanneer de zon op volle sterkte is. De Robobee X-Wing heeft de kracht van ongeveer drie aardse zonnen nodig om te vliegen, waardoor buitenvluchten voorlopig buiten bereik zijn. In plaats daarvan, de onderzoekers simuleren dat niveau van zonlicht in het lab met halogeenlampen.

De zonnecellen zijn aangesloten op een elektronicapaneel onder de bij, die de laagspanningssignalen van het zonnepaneel omzet in hoogspanningsaandrijfsignalen die nodig zijn om de actuatoren aan te sturen. De zonnecellen zitten ongeveer drie centimeter boven de vleugels, om interferentie te voorkomen.

In alles, het laatste voertuig, met de zonnecellen en elektronica, weegt 259 milligram (ongeveer een kwart paperclip) en verbruikt ongeveer 120 milliwatt aan stroom, dat is minder stroom dan nodig is om een ​​enkele lamp op een reeks LED-kerstverlichting te laten branden.

"Als je techniek in films ziet, als iets niet lukt, mensen hacken het een of twee keer en plotseling werkt het. Echte wetenschap is niet zo, " zei Helbling. "We hebben dit probleem op alle mogelijke manieren gehackt om eindelijk te bereiken wat we deden. Uiteindelijk, het is best spannend."

De onderzoekers zullen blijven hacken, met als doel de stroom naar beneden te halen en controle aan boord toe te voegen zodat de Robobee naar buiten kan vliegen.

"Gedurende de levensduur van dit project hebben we achtereenvolgens oplossingen ontwikkeld voor uitdagende problemen, zoals het bouwen van complexe apparaten op millimeterschaal, hoe u hoogwaardige kunstmatige spieren op millimeterschaal kunt maken, bio-geïnspireerde ontwerpen, en nieuwe sensoren, en vluchtcontrolestrategieën, " zei Wood. "Nu energieoplossingen in opkomst zijn, de volgende stap is de controle aan boord. Naast deze robots, we zijn verheugd dat deze onderliggende technologieën toepassingen vinden op andere gebieden, zoals minimaal-invasieve chirurgische apparaten, draagbare sensoren, ondersteunende robots, en haptische communicatieapparaten - om er maar een paar te noemen."