Micro-fladderrobot vliegt als een bij: snel en acrobatisch

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een uiterst klein fladdervliegtuig ontwikkeld dat vergelijkbare vliegprestaties en -snelheden bereikt als een bij. Dankzij een op de natuur geïnspireerde, door kunstmatige intelligentie ondersteunde besturing voert de robot nauwkeurige trajecten en spectaculaire acrobatiek uit, zoals salto's en snelle wendingen.

Een robot op insect-schaal

Het toestel is compact: slechts 40 mm × 40 mm × 9 mm en met een massa van 750 mg lichter dan een standaard paperclip. Vier onafhankelijk aangestuurde slagvleugels houden de machine in de lucht. Elke vleugel wordt aangedreven door een dielectric elastomer actuator (DEA) die met een slagfrequentie van 330 Hz beweegt. Voor de besturing worden alleen de uitslagen van de afzonderlijke vleugels aangepast; andere motoren of roterende aandrijvingen ontbreken.

De DEA bestaat uit lagen van dielectrisch elastomeer gecombineerd met dunne, flexibele kunststof-nanorietelektroden. Deze constructie maakt snelle en herhaalde vleugelbewegingen mogelijk met relatief lage massa en hoge respons.

Hoe de vlucht wordt gestuurd

De complexe manoeuvres vereisen een geavanceerde flight controller. De onderzoekers bouwden eerst een model-prédictieve regelaar: een wiskundig dynamisch model dat toekomstige bewegingen voorspelt en zo de optimale reeks acties plant waardoor de robot veilig een gewenst traject volgt. Dit plan houdt rekening met de fysieke beperkingen van de hardware, zoals maximale krachten en momenten die de robot kan genereren.

Op basis van deze planner trainden zij vervolgens een diep-lerend beslissingsmodel dat als efficiënte beleidsregel fungeert. Dit deep-learningmodel maakt snelle online beslissingen mogelijk zonder de zware rekenlast van volledige modelpredictie tijdens de vlucht. Deze combinatie van modelgebaseerde planning en geleerd beleid resulteert in een krachtige en reken-efficiënte besturing.

Prestaties en demonstraties

Vergeleken met een eerder model van dezelfde onderzoeksgroep behaalt de nieuwe robot aanzienlijke verbeteringen: hij kan tot 447 procent sneller vliegen en versnelt 225 procent sneller. In absolute termen bereikt de machine snelheden tot 7,1 km/h en piekversnellingen tot 11,7 m/s². Dankzij deze prestaties voert hij complexe acrobatische manoeuvres uit, zoals luchtige sprongen, snelle bochten en salto's.

In demonstraties maakte de robot bijvoorbeeld tien salto's binnen 11 seconden, terwijl hij zich slechts enkele centimeters van het beoogde traject verwijderde. Tijdens een reeks tests week de robot tussen de vier en vijf centimeter af van zijn geplande baan—een indicatie van de nauwkeurigheid van de besturing onder hoge dynamische belasting. Daarnaast lieten de onderzoekers plotselinge acceleratie- en remmanoeuvres zien, vergelijkbaar met bewegingen die insecten gebruiken voor oriëntatie en perceptie van hun omgeving.

Huidige beperkingen en toekomstige mogelijkheden

Op dit moment wordt de positie van de robot in de ruimte gevolgd met een extern motion-capture-systeem, waardoor er geen sensoren aan boord nodig zijn. Daardoor zijn de vluchten tot nu toe beperkt tot de gecontroleerde omgeving van het laboratorium. De onderzoekers verwachten echter dat het toevoegen van on-board camera's en andere sensoren de robot in staat zal stellen zelfstandig te navigeren zonder externe tracking.

Met ingebouwde beeldvorming en navigatiesensoren zou de micro-fladderrobot buiten het lab kunnen opereren. Mogelijke toepassingen zijn onder meer verkenning in nauwe ruimtes, inspectie in onbereikbare omgevingen en ondersteuning bij zoek- en reddingsoperaties waar kleine, wendbare toestellen snel en doelgericht moeten manoeuvreren.

Wetenschappelijke publicatie

De methoden en resultaten van het project zijn gedetailleerd beschreven in de studie “Aerobatic maneuvers in insect-scale flapping-wing aerial robots via deep-learned robust tube model predictive control”, gepubliceerd in Science Advances. De publicatie behandelt zowel de mechanische opbouw van de robot als de ontwikkeling van de modelgebaseerde planner en het getrainde deep-learningbeleid.

Veelgestelde vragen

• Hoe groot is de robot?

  De robot meet 40 mm bij 40 mm bij 9 mm en weegt 750 mg.

• Wat drijft de vleugels aan?

  Elke vleugel wordt aangedreven door een dielectric elastomer actuator (DEA) en beweegt met een frequentie van 330 Hz.

• Heeft de robot sensoren aan boord?

  Nog niet; de positie wordt momenteel gevolgd via een extern motion-capture-systeem. Toekomstige versies kunnen camera's en andere sensoren bevatten om onafhankelijk te vliegen.

• Wat zijn de prestaties ten opzichte van eerdere modellen?

  De nieuwe versie vliegt tot 447% sneller en accelereert 225% sneller dan het voorgaande model, met topsnelheden tot 7,1 km/h.

De ontwikkeling van deze micro-fladderrobot toont aan hoe combinatie van bio-inspiratie, geavanceerde actuatorontwerpen en gecombineerde modelgebaseerde en leergebaseerde besturingstechnieken innovatieve mogelijkheden opent voor zeer wendbare, lichtgewicht luchtvoertuigen op insect-schaal.