小型で機敏な次世代ドローンの登場 (Researchers introduce a new generation of tiny, agile drones)

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2021/3/2 アメリカ合衆国・マサチューセッツ工科大学(MIT)

drone with insect-like wings

・ MIT が、これまでにない敏捷性と強さを備えた昆虫サイズのドローンを開発。
・ 新タイプのソフトアクチュエーターによる駆動で厳しい環境下での飛行を耐え、作物の受粉や狭小な場所での機械調査等での利用が見込める。
・ 昆虫のようなロボットの設計は、長い間研究されている昆虫の飛行のバイオロジーと物理を解明する機会を提供する。今回の研究は、リバース・エンジニアリングを通じてこれらの課題に対処するもの。
・ 現在のドローンは開放的な空間を飛行する大型で、屋外でのアプリケーションが多い。大型ドローンは通常モーター駆動であるが、小型化により効率性が損なわれる。小型ドローンの設計では、根本的に異なる構造が必要となる。
・ このため、これまでは圧電性セラミック材料から成る小型で硬いアクチュエーターを利用。同材料による第一世代の小型ロボットの飛行に成功しているが、昆虫を模倣したロボットの構築では強度が不足する。
・ 新小型ドローンのソフトアクチュエーターは、カーボンナノチューブをコーティングした薄いゴム胴から構成され、ナノチューブに電圧が加わると静電気力を発してゴム胴の伸縮を繰り返し、ドローンの翼を高速で羽ばたかせる。
・ 500 回/秒の羽ばたきで、飛行中の衝突にも耐える昆虫のような強さをドローンに付与し、宙返りのようなアグレッシブな曲芸飛行も可能。重さは大きめのミツバチ程度で僅か 0.6g。羽の付いたカセットテープのようにも見えるが、現在はトンボ型のプロトタイプを開発中。
・ 同ソフトアクチュエーターの作動電圧が高いため、現在は電源をワイヤでつないだテザードによる飛行だが、電圧を低減することでワイヤなしのアンテザードの飛行を目標とする。
URL: https://news.mit.edu/2021/researchers-introduce-new-generation-tiny-agile-drones-0302

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

IEEE Transactions on Robotics 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Collision Resilient Insect-Scale Soft-Actuated Aerial Robots With High Agility
URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9357346

Abstract

Flying insects are remarkably agile and robust. As they fly through cluttered natural environments, they can demonstrate aggressive acrobatic maneuvers such as backflip, rapid escape, and in-flight collision recovery. Current state-of-the-art subgram microaerial-vehicles (MAVs) are predominately powered by rigid actuators such as piezoelectric ceramics, but they have low fracture strength (120 MPa) and failure strain (0.3%). Although these existing systems can achieve a high lift-to-weight ratio, they have not demonstrated insect-like maneuvers such as somersault or rapid collision recovery. In this article, we present a 665 mg aerial robot that is powered by novel dielectric elastomer actuators (DEA). The new DEA achieves high power density (1.2 kW/kg) and relatively high transduction efficiency (37%). We further incorporate this soft actuator into an aerial robot to demonstrate novel flight capabilities. This insect-scale aerial robot has a large lift-to-weight ratio (>2.2:1) and it achieves an ascending speed of 70 cm/s. In addition to demonstrating controlled hovering flight, it can recover from an in-flight collision and perform a somersault within 0.16 s. This work demonstrates that soft aerial robots can achieve insect-like flight capabilities absent in rigid-powered MAVs, thus showing the potential of a new class of hybrid soft-rigid robots.
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