Этот робот прыгает лучше, чем любая машина или живое существо
Этот робот прыгает лучше, чем любая машина или живое существоЕго скорость взлета составляет 92 фута в секунду.
Джампер в стабильной предпрыжковой конфигурации. Эллиот В. Хоукс
Лягушки делают это. Валлаби делают это. Это делают даже образованные блохи.
Теперь робот может перепрыгнуть их всех.
В статье, опубликованной в среду в рецензируемом журнале Nature , исследователи представляют относительно простой способ количественной оценки и сравнения «прыгунов» — категории, которая включает как живые существа, так и инженерные машины — во всех масштабах. Но они не остановились на достигнутом.
«Следуя этим открытиям, мы создали устройство, которое может прыгать на высоту более 30 [метров], что, насколько нам известно, намного выше, чем предыдущие[ly] инженерные прыгуны, и на порядок выше, чем лучшие биологические прыгуны», — пишут они. Их прыгун высотой чуть менее одного фута (30 см) и весом чуть более одной унции (30 г) может взлететь на высоту 108 футов (33 м) со скоростью взлета 92 фута ( 28 м) в секунду.
Посмотреть в действии можно здесь:
Новая модель прыжков позволяет лучше прыгать
Люди издавна увлекаются прыжками, которые исследователи определяют как «движение, создаваемое силами, прикладываемыми прыгуном к земле, при сохранении постоянной массы». (Сюда не входят такие машины, как ракеты и стрелы, выпущенные из лука.) Аристотель обсуждал использование отягощений для прыжков выше, а ученые эпохи Возрождения разработали рудиментарную модель для анализа прыжков в животном мире. Более полувека инженеры искали вдохновение в биологическом мире при разработке прыжковых машин.
Прыжки заставляют инженеров и эволюцию столкнуться с некоторыми основными физическими ограничениями выработки энергии. «Мышцы и моторы не могут генерировать высокую выходную мощность, необходимую для приведения в движение… прыгунов сами по себе», — пишет инженер-механик Сара Бергбрайтер в статье «Перспектива», опубликованной вместе с статьей в журнале Nature .
Она пишет, что как живые, так и инженерные системы обходят этот предел, используя свои «мышцы и моторы для накопления энергии в пружиноподобных структурах», прежде чем высвобождать всю энергию в методе, называемом «приведение в действие пружины, опосредованной защелкой».
Самый популярный
На этой схематической диаграмме показана схема описания фаз прыжка для прыгунов с защелкой-пружиной. Есть три фазы по времени: предварительное растяжение, ускорение и полет. Что касается энергии, то есть два аспекта: предел производства удельной энергии (обозначен красной пунктирной линией) и удельный расход энергии (описан серой кривой). Источник.Открытия позволили создать революционный дизайн
Ранее исследователи изучали, как некоторые из самых плодовитых прыгунов в природе (такие как крошечный цикадка, насекомое, которое может прыгать в 115 раз больше своего тела) умудряются взлетать так высоко в воздух, но те исследования были ограничены некоторыми предположениями, с которыми столкнулось новое исследование.
Например, есть большие различия между линейными двигателями в живых существах (например, в мышцах) и двигателями, доступными для инженеров.
«Вращающиеся двигатели, которые обычно используются в инженерных роботах, могут преодолеть [эти ограничения], действуя как лебедка, чтобы обеспечить усилие при гораздо большем перемещении без необходимости в более крупном двигателе, тем самым увеличивая плотность работы», — говорит Бергбрайтер. «Пока роторные двигатели могут продолжать вращаться, инженерные системы вместо этого ограничены плотностью энергии (запасенной энергией на массу) пружин».
Исследователи также поняли, что смесь резиновых лент и пружин из углеродного волокна может хранить огромное количество энергии на единицу массы. В отличие от большинства пружин, «[t] его конфигурация также приводит к тому, что пружине требуется относительно постоянное усилие сжатия, которое должно быть приложено на различных расстояниях», — говорит Бергбрайтер.
Это большое преимущество, если вы пытаетесь построить прыгающего робота-рекордсмена. Наконец, работа по моделированию помогла исследователям увидеть, что типичные пропорции джемпера не обязательно оптимальны. В их изобретении используются пружины, которые намного больше двигателя.
«Это неожиданно высокое соотношение между массой пружины и двигателя является результатом
относительных ограничений энергии этих компонентов: плотность энергии пружины ограничивает высоту прыжка робота, тогда как плотность работы мышц ограничивает количество энергии, которое биологические прыгуны могут хранить их в своих пружинах», — объясняет Бергбрайтер.
Для вас
Наука
Период с 1960-х по 1980-е годы был очень благоприятным для освоения космоса. Она началась с Лунной гонки, кульминацией которой стала Высадка на Луну, а закончилась созданием космического корабля «Шаттл» и первых космических станций.
Мэтью С. Уильямс | 04.12.2022
инновацииМодернизированный двигатель внутреннего сгорания может повысить производительность — The Blueprint
Элис Кук| 04.