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科学家参透瓢虫翅膀“玄机”,造新型柔性可折叠机器人
发布时间: 2021-01-13 来源: 点击次数:

一、瓢虫翅膀:使用翼脉完成弹性储能和自锁

关于飞翔动物来说,翅膀非常重要。在产生极点环境改变时或捕食者迫临时,它们需求快速打开翅膀逃离风险。

在这一进程中,翅膀快速打开的才能和承载才能缺一不可。翅膀的快速打开才能能够确保动物敏捷动作;承载才能则能够确保飞翔的安稳性,避免翅膀受空气动力影响而失效。

鸟类使用翅膀上的肌肉和骨骼来确保快速打开才能和承载才能。可是,瓢虫的翅膀却非常独特。

瓢虫的翅膀是没有骨头和肌肉的膜状翅膀,却能够在100毫秒内快速打开,还能在高频摇动时坚持有用的空气动力。

研讨人员发现,这是由于瓢虫翅膀上特别的翼脉。瓢虫的翅膀上有带式绷簧形状的翼脉,翼脉的横截面曲率和柔性使其翅膀既能弹性储能,也具有自锁才能。

在翅膀处于折叠状况时,横截面曲率使翼脉产生了较高的初始刚度,也确保了翅膀的自锁。一起,在翅膀折叠进程中,很多的能量被贮存在翼脉中。

这一点给了研讨人员启示:能够使用柔性资料完成机械的储能、自锁功用。

二、可折叠结构:116ms内快速打开,可承重本身的150倍

学习瓢虫翅膀翼脉的折叠方法,研讨人员规划出了一个柔性可折叠组织。

首要,研讨人员改变了以往可折叠结构每个面都是刚性面的特色,选用了两种不同资料进行制造。

在折叠和打开时,资料曲折部分的应变更大。因而,资料曲折部分选用了防撕裂织物资料,资料平面部分选用聚对苯二甲酸乙二醇酯资料制造。防撕裂织物资料的柔性比PET资料大100倍,具有与瓢虫翅膀翼脉类似的横截面曲率。

▲可折叠结构资料暗示

为了生产出曲面,研讨人员在热层压进程中使用了预先规划好的模具。

▲热层压进程

在柔性折叠的进程中,接近折叠线的曲折面逐步变平,弹性势能贮存在变形的面上。贮存的弹性势能使机翼能够在116毫秒内快速打开。

▲弹性势能转化进程

别的,机翼面的曲折形状赋予了柔性折叠结构自锁才能。规划出的柔性折叠结构能够承重其本身分量的150倍。

为了进一步验证该柔性可折叠组织的功用,研讨人员测量了折叠视点,制作出折叠力矩图,又依据力矩图制作了贮存的能量图。

▲左:折叠力矩;右:贮存的势能

图画显现,折叠力矩具有各向异性力矩投影,两个峰值折叠力矩出现自锁。柔性折叠组织在不同的折叠视点下贮存不同的能量。

三、成功应用于滑翔机

研讨人员将柔性折叠组织应用于一个滑翔机器人,并进行了试飞。

视频第57秒能够看到,研讨人员从3楼开释机器人,机器人快速打开机翼,通过滑翔后平稳落地。

视频第1分45秒开端的敲打飞翔试验中,研讨人员从一个平台上开释机器人,机器人快速敲打机翼,坚持了较好的空气动力,成功飞到对面平台上。

研讨人员还在有风条件下做了试验。视频第1分54秒能够看到,机器人能坚持较安稳的滑翔状况,这说明机翼具有较好的承载才能。

试验证明,将柔性可折叠组织应用于滑翔机能完成较抱负的滑翔功用。

结语:柔性可折叠机器人研讨新方向

韩国首尔大学研讨人员学习了瓢虫翅膀的折叠方法,研讨出一款可快速打开、具有自锁功用、能贮存很多弹性势能的柔性可折叠组织,并成功将其应用于一个滑翔机器人,为之后的柔性可折叠机器人研讨指明晰新方向。

论文中还指出,现在这种新式柔性可折叠机器人遭到资料的约束,研讨人员将在未来进行更深入研讨。

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