Механический прыгун, разработанный профессором инженерии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Эллиотом Хоуксом и его сотрудниками, способен достигать самой большой высоты — примерно 30 метров — среди всех прыгунов на сегодняшний день, инженерных или биологических. Этот подвиг представляет собой свежий подход к конструкции прыжковых устройств и способствует пониманию прыжков как формы передвижения.
«Мотивация пришла из научного вопроса», — сказал Хоукс, который как робототехник стремится понять множество возможных методов, позволяющих машине ориентироваться в окружающей среде. «Мы хотели понять, каковы ограничения для инженерных перемычек». По его словам, несмотря на то, что существуют столетия исследований биологических прыгунов и десятилетия исследований в основном биологически вдохновленных механических прыгунов, эти два направления исследований были несколько разделены.
«На самом деле не было исследования, которое сравнивало бы и противопоставляло бы их и то, как различаются их пределы — действительно ли искусственные прыгуны ограничены теми же законами, что и биологические прыгуны», — сказал Хоукс.
Большая пружина, маленький мотор
Биологические системы долгое время служили первыми и лучшими моделями передвижения, и это особенно верно для прыжков, определяемых исследователями как «движение, создаваемое силами, прикладываемыми прыгуном к земле, при сохранении постоянной массы». Многие дизайнерские прыгуны сосредоточились на копировании конструкций, созданных эволюцией, и с большим успехом.
Но элементы, которые создают скачок в биологической системе, могут быть ограничивающими для инженерных систем, сказал Чарльз Ксайо, доктор философии. кандидат в лаборатории Хоукса.
«Биологические системы могут прыгать только с таким количеством энергии, которое они могут произвести за один удар своей мускулатуры», — сказал Ксайо. Таким образом, система ограничена в количестве энергии, которую она может отдать для отталкивания тела от земли, и прыгун может прыгнуть только на определенную высоту.
Но что, если бы существовал способ увеличить количество доступной энергии? Для инженерных прыгунов есть: они могут использовать двигатели, которые храповиком или вращаются, чтобы совершать много ударов, увеличивая количество энергии, которую они могут хранить в своей пружине. Исследователи назвали эту способность «умножением работы», которую можно найти у инженерных прыгунов всех форм и размеров.
«Эта разница между производством энергии в биологических и инженерных прыгунах означает, что они должны иметь очень разные конструкции, чтобы максимизировать высоту прыжка», — сказал Сяо. У животных должна быть небольшая пружина — достаточная только для хранения относительно небольшого количества энергии, производимой их единичным мышечным движением, — и большая мышечная масса. Напротив, инженерные прыгуны должны иметь как можно большую пружину и крошечный двигатель».
Исследователи воспользовались этими знаниями и разработали прыгун, совершенно не похожий на биологический прыгун: размер его пружины по отношению к его двигателю почти в 100 раз больше, чем у животных. Кроме того, они разработали новую пружину, стремясь максимально увеличить запас энергии на единицу массы. В их гибридной пружине растяжения-сжатия компрессионные дуги из углеродного волокна сжимаются, а резиновые ленты растягиваются за счет натяжения лески, намотанной на шпиндель с приводом от двигателя. Команда обнаружила, что соединение изгибающихся наружу краев дуг посередине с натянутой резиной также увеличивает прочность пружины.
«Удивительно, но резина делает пружину сжатия сильнее», — сказал Хоукс. «Вы можете сжать пружину еще больше, не сломав ее».
Джемпер также разработан, чтобы быть легким, с минималистичным механизмом фиксации для высвобождения энергии для прыжка и аэродинамическим, со складывающимися ногами, чтобы минимизировать сопротивление воздуха во время полета. В целом, эти конструктивные особенности позволяют ему разгоняться от 0 до 60 миль в час за 9 метров в секунду (сила ускорения 315g) и достигать примерно 100-футовой высоты в демонстрациях исследователей. Согласно исследованию, для моторизованных прыгунов это «близко к возможному пределу высоты прыжка с доступными в настоящее время материалами».
Этот дизайн и способность выходить за пределы, установленные биологическими конструкциями, закладывают основу для переосмысления прыжков как эффективной формы машинного передвижения: прыгающие роботы могут добраться до мест, куда в настоящее время добираются только летающие роботы.
Преимущества будут более заметными и за пределами Земли: прыгающие роботы могут эффективно путешествовать по Луне или планетам, не сталкиваясь с препятствиями на поверхности, а также получать доступ к функциям и перспективам, недоступным для наземных роботов.
«Мы подсчитали, что устройство должно быть в состоянии подняться на высоту 125 метров, прыгнув на полкилометра вперед на Луне», — сказал Хоукс, отметив, что гравитация составляет 1/6 от земной и что сопротивления воздуха практически нет. . «Это был бы гигантский скачок для инженерных прыгунов».
