Биоинспирированный дрон-мотылёк: новая эра маневренных беспилотников

Инженеры из Университета Цинциннати совершили прорыв в робототехнике, создав дрон с машущими крыльями, который демонстрирует поведение, аналогичное мотыльку, летящему на свет. Этот аппарат способен автономно обнаруживать движущийся источник света, приближаться к нему и стабильно зависать вокруг, сохраняя заданную дистанцию и ориентацию. Руководитель проекта, доцент Самех Эйса, видит в этой технологии основу для будущих компактных и высокоэффективных дронов, предназначенных для скрытого наблюдения и работы в сложных условиях.

Секрет в подражании природе

Ключевой идеей проекта стало глубокое изучение и копирование принципов полёта насекомых. Исследователи обратились к биомиметике, поскольку для сверхмалых летательных аппаратов классическая схема с винтами оказывается неоптимальной. Мотыльки, шмели и колибри демонстрируют феноменальную маневренность: они могут парить на месте, летать задом наперёд и мгновенно корректировать свой курс, инстинктивно компенсируя порывы ветра и избегая препятствий. Дрон Эйсы воспроизводит эту способность, непрерывно внося микроскопические поправки в полёт, чтобы удерживать позицию относительно подвижной цели — источника света.

Экстремальное управление вместо искусственного интеллекта

Работа ведётся в «Лаборатории моделирования, динамики и управления», которая специализируется на инженерии, вдохновлённой биологией. Ранее команда изучала динамическое парение альбатросов для создания дронов большой дальности. Новый же проект сфокусирован на маневренном зависании. Аспирант Ахмед Эльгохари и Самех Эйса описали этот процесс с помощью математической концепции — экстремального управления с обратной связью. Учёные полагают, что именно подобные природные системы обратной связи используют парящие насекомые. Компьютерное моделирование подтвердило, что такой подход позволяет воспроизвести стабильное зависание, характерное для насекомых, без задействования ресурсоёмкого искусственного интеллекта или сложных предварительных моделей. Система работает в реальном времени, полагаясь на простой, но эффективный принцип: непрерывно измерять текущую производительность и немедленно оптимизировать движение к цели.

В отличие от традиционных дронов, зависящих от GPS или сложных алгоритмов, этот машущий аппарат корректирует полёт моментально. Каждое из его четырёх крыльев движется независимо, обеспечивая управление по всем осям (крен, тангаж, рыскание). Для наблюдателя взмахи сливаются в размытое движение, как у колибри. Контур обратной связи не только обеспечивает устойчивое зависание, но и воспроизводит характерное лёгкое покачивание, которое можно увидеть у мотыльков, стрекоз или шмелей.

Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.

От теории к практике: демонстрация в лаборатории

Ахмед Эльгохари и аспирант Рохан Палиникамар успешно продемонстрировали прототип дрона в специальной лаборатории, огороженной защитной сеткой. Аппарат, собранный из проволоки и ткани, способен самостоятельно взлетать и удерживать позицию, используя систему экстремального управления. Исследователи отмечают, что ручное управление таким дроном было бы крайне сложной и нестабильной задачей. Наблюдаемое в полёте лёгкое покачивание — не ошибка, а важная часть рабочего процесса. Именно эти небольшие колебания позволяют системе оценивать эффективность и вносить необходимые микро-корректировки для поддержания стабильности и курса.

Биофизика и будущее технологий

Парящие насекомые, такие как бражник, двигают крыльями по сложной траектории, напоминающей восьмёрку, что создаёт подъёмную силу как при взмахе вниз, так и вверх. Их гибкие, деформирующиеся крылья обеспечивают исключительный контроль. Инженеры Университета Цинциннати переводят эти биологические принципы в роботизированный дизайн. Самех Эйса считает, что значение этого исследования выходит далеко за рамки конструирования дронов. Оно может внести вклад в фундаментальную биофизику. Если подтвердится, что насекомые используют аналог экстремальной обратной связи, то, вероятно, подобные механизмы эволюционировали и у других живых существ. Изучая самых искусных летунов в природе, учёные раскрывают, как высокая точность и стабильность рождаются из простых принципов. Эти уроки способны преобразовать не только технологии беспилотных аппаратов, но и наше понимание самого феномена полёта.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review E.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Исследователи из Университета Цинциннати разработали дрон с машущими крыльями, который может находить и зависать в воздухе вокруг движущегося источника света, подобно мотыльку, летящему на свет.