マイクロフライヤー、つまり多数配備された小型無線ロボットは、現在、環境研究や生物学研究などの大規模な監視や監視の目的で使用されることがあります。 飛散物は空気中に拡散する能力があるため、単一の場所から落下すると、他の方法ではアクセスが困難な場所を含む広い範囲を覆うように広がる可能性があります。 さらに、複数のドローンよりも小型、軽量で、導入コストも安価です。
より効率的なマイクロフライヤーを作成する際の課題の 1 つは、消費電力を削減することです。 ワシントン大学 (UW) とグルノーブル アルプ大学の研究者らが実証したように、その方法の 1 つはバッテリーを取り除くことです。 彼らは、日本の折り紙芸術である折り紙からインスピレーションを得て、風に乗って分散し、電子作動を使用して形状を変えることができるプログラム可能なマイクロフライヤーを設計しました。 これは、25 ミリ秒で最大 200 ミリニュートンの力を生成できる太陽光発電アクチュエーターによって実現されます。
「これらの小さな飛行物体を、温度、光、その他の環境条件を測定するためのセンサー プラットフォームとして考えてください。」
—ヴィクラム・アイヤー、ワシントン大学
「これらの折り紙デザインの素晴らしい点は、完全にバッテリーを使わずに、空中で折り紙の形を変える方法を開発したことです」と、著者の一人であるカリフォルニア大学のコンピューター科学者兼エンジニアのヴィクラム・アイヤー氏は語ります。 「これは形状のかなり小さな変化ですが、落下動作に非常に劇的な変化をもたらします。これにより、これらの物体がどのように飛行するかをある程度制御できるようになります。」
タンブリング状態と安定状態: A) ここの折り紙マイクロフライヤーはタンブリング状態、B) 着陸後の構成です。 降下するにつれて、フライヤーは転倒し、C に示されている典型的な転倒パターンが見られます。 D) 折り紙のマイクロフライヤーは、安定した降下状態にあります。 飛行者の着陸位置の範囲 E は、親ドローンから解放された後の分散パターンを明らかにします。
この研究は、タンポポの種のように空気中に分散できるセンサーを実証した、2022年に発表された研究者の初期の研究に基づいています。 今回の研究では、「目標は、何百ものセンサーを配備し、正確な配備を達成するために、センサーが着地する場所を制御することでした」と、WU でモバイル インテリジェンス ラボを率いる共著者のシャムナス ゴラコタ氏は述べています。 マイクロフライヤーはそれぞれの重さが500ミリグラム未満で、そよ風に乗ってほぼ100メートル移動でき、気圧と温度に関するデータをBluetooth経由で最大60メートルの距離まで無線送信できる。 同グループの研究結果は、今月初めに『Science Robotics』誌に掲載された。
2 つの折り紙の状態の落下挙動の違いを発見したのは偶然だったとゴラコタ氏は言います。「平らな状態では、風に吹かれて転がる葉っぱのようです」と彼は言います。 「平らな状態から少し湾曲した状態にほんのわずかに変化すると、非常に制御された動きでパラシュートのように落下します。」 横向きの突風が吹いている転倒状態では、マイクロフライヤーは安定状態のときの最大3倍の飛散距離に達すると同氏は付け加えた。
このマイクロフライヤーの拡大図は、上面の電子機器と回路を明らかにしています。
これまでにも、モーター、静電アクチュエーター、形状記憶合金、電熱ポリマーなどを使用した折り紙ベースのシステムはあったが、これらは研究者が直面している課題には対処できなかった、とゴラコタ氏は言う。 1 つは、トリガーされなければ形状が変化しないほど強力な作動機構と、消費電力を低く抑えるのに十分な軽量性との間のスイート スポットを見つけることでした。 次に、地面に落下する間に急速な遷移応答を生成する必要がありました。 最後に、移行をトリガーするには軽量のエネルギー貯蔵ソリューションを搭載する必要がありました。
ゴラコタ氏は「かなり常識的」と表現するこのメカニズムを思いつくまでに1年かかった。 折り紙の中央には、ソレノイド コイル (電流が流れると磁石として機能するコイル) と 2 つの小さな磁石で構成される軸があります。 ヒンジ付きの 4 本のカーボンファイバー ロッドがステムを構造の端に取り付けます。 電流パルスがソレノイド コイルに印加されると、磁石が互いに向かって押し付けられ、構造がスナップして別の形状になります。
ゴラコタ氏によると、必要なのは、磁力が働くのに必要な、磁石同士を適切な距離内に配置するのに十分な、ほんの少しの力だけだという。 エネルギーを収集するために薄くて軽量の太陽電池が配列されており、そのエネルギーは小さなコンデンサに蓄えられます。 この回路は折り畳み可能な折り紙構造上に直接製造されており、マイクロコントローラー、タイマー、Bluetooth レシーバー、圧力および温度センサーも含まれています。
「一定時間後、無線信号を送信したとき、またはこのデバイスが検出した高度[または温度]で、これらのいずれかに基づいて形状変化を引き起こすように、これらのものをプログラムすることができます」とアイヤー氏は付け加えた。 折り紙の構造は双安定であるため、一度遷移すると形状を維持するためにエネルギーを必要としません。
研究者らは、その設計を拡張して、さまざまな環境監視アプリケーション用のセンサーを組み込むことができると述べています。 「これらの小さな飛行体は、温度、光、その他の環境条件、およびそれらが大気中でどのように変化するかを測定するためのセンサー プラットフォームと考えてください」とアイヤー氏は言います。 あるいは、デジタル農業、気候変動関連の研究、森林火災の追跡などのためにセンサーを地上に配備することもできます。
現在のプロトタイプでは、マイクロフライヤーは一方向にのみ形状変化しますが、研究者らはマイクロフライヤーを両方向に遷移させ、2 つの状態を切り替えて軌道をさらに適切に制御できるようにしたいと考えています。 彼らはまた、マイクロフライヤーの群れが互いにコミュニケーションし、行動を制御し、落下および分散する方法を自己組織化していると想像します。
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