Loodusest laenamise mõte ei ole tehnikavaldkonnas uus, eriti kui asi puudutab lendamist. Tuntumateks näideteks on Antiik-Kreeka mütoloogiast Daidalos, kes meisterdas oma pojale tiivad, ning Leonardo da Vinci kavandatud inimjõul töötav ornitopteri. Kuid alles hiljuti puudus võimalikel investoritel aerodünaamika ekspertiis, mis oleks paberil olevate diagrammide töökindlust kinnitanud.  Tehnoloogia aga areneb kiirelt edasi ja nüüd on suudetud välja arendada putukatest inspireeritud seade, mis aitab luua uut tüüpi masinaid – mikro- või nanodroone.

Kaks leiutajat – Richard Guiler ja Tom Vaneck – olid mitu aastat proovinud luua vastupidavat drooni, mis suudaks esemete eest kõrvale põigelda, navigeerida hoonetes ning lennata ka tormise ilmaga. Nad olid katsetanud fikseeritud tiibadega mudeleid, kuid nendele lisatud sensorid muutsid masinad lendamiseks liiga raskeks. Katsetati ka helikoptereid, kuid selle rootorid kippusid kinni jääma elektrijuhtmetesse ja puuokstesse. Projekti murdepunktiks osutus vastu aknaklaasi lennanud kärbes, kes ei läinud puruks, nagu katsetatud droonid, vaid põrkus klaasist eemale ning, ilma viga saamata, kordas kohe oma käitumist korrata. Loodus oli taaskord näidanud üht geniaalset disainiideed.

Putukate lennusaladuse jälil

Kuigi putukad esindavad kogu maailma loomaliikidest ligikaudu 70% , oli nende lennu mehaanika pikka aega saladus. Nii traditsioonilised fikseeritud tiibadega lennumasinad kui ka helikopterid ja nende rootorid sõltuvad püsivast õhuvoost nende tiibade all. Kuid putukate tiivad laperdavad edasi-tagasi ning nende ümber on õhu liikumine pidevas muutumises. Ometi suudavad putukate kohmakavõitu tiivad ülal hoida rohkem raskust, kui on võimalik tavapäraste aerodünaamika põhimõtetega seletada.

Selleks, et mõista putukate laperdavat lendu, pidid teadlased selle detailiselt lahti mõtestama. 1970-ndatel kasutas Cambridge’i ülikooli zooloog Torkel Weis-Fogh (1922-1975) ülikiiret kaamerat, et analüüsida õhus hõljuvate putukate täpseid tiivaliigutusi ning võrrelda neid putukate kehaehitusega. Ta lõi teooria putukate lennust, mis näitas, et putukate tiivalöögid tekitavad madala rõhuga õhutasku. Õhk voogab tagasi sellesse taskusse, luues keerise, mis aitab teda õhus hoida.

Kaks aastakümmet hiljem jõudsid tehnilised arvutused teooriale järele ning teadlased hakkasid neid põhimõtteid rakendama inimeste loodud süsteemidele. Näiteks ehitas Cambridge’i ülikooli zooloog ja Weis-Foghi endine õpilane Charles Ellington robottiiva, mis suutis täpselt jäljendada surulaste liigutusi. Ta asetas selle suitsuga täidetud tuuletunnelisse, et tiivaliigutuste abil lennuvõimet analüüsida. Samalaadne katse on tehtud ka robootilise puuviljakärbsega. Selliste katsete abil on paljud teadlased suutnud iseseisvalt töötades kirjeldada lennu aerodünaamikat ülima täpsusega.

DARPA katsetest RoboBeeni

Neurobioloog Michael Dickinson ja elektriinsener Ron Fearing võitsid 1998. aastal 2,5 miljoni dollarilise DARPA toetuse, et rakendada eelnevalt tuntud printsiipe kärbsesuurusele robotile. Teiste hulgas osales vastava tehnika väljatöötamisel ka Rob Wood.“Kärbestel on väga keerulised lennutrajektoorid,” ütles Wood, “Michael rääkis meile kõige olulisematest omadustest, et luua õhukeeriseid ja muid aerodünaamika efekte.”

Kui Wood avas omaenda labori Harvardi ülikoolis, oli ta aidanud rajada teed äärmiselt energiasäästlike ja eksootiliste materjalide kasutamiseni, mis suudaks jäljendada kärbse tiiva liikumist. Ta oli ehitanud güroskoobi, mis suutis jäljendada sensoreid, mida putukad kasutavad, et tuvastada keha liikumist, ning leiutanud meetodeid, et toota keerulisi süsteeme miniatuursel skaalal. Jäi veel kõik see kokku ehitada töötavaks masinaks.

2006. aastal saavutas Wood esimese suurema läbimurde: tema pisike robot oli tõusnud õhku mitmeks sekundiks. 2012. aastal jõuti järgmise sammuni – stabiilse lennuni eelnevalt programmeeritud teed mööda. Edukas prototüüp sai nimeks RoboBee. Woodile saadetud videos, kus selgitati uuendusi labori uusima prototüübi arengus, näidati, kuidas seade tõusis õhku, esimest korda stabiilselt õhus hõljudes ning tehes kontrollitud lennumanöövreid putukasuuruses masinas.

Wood oli mikroskoopiliste robotlennumasinate pioneer, aga on ka teisi uurijaid, kes on sedasama tiibade dünaamikat kasutanud, et vähendada koormust kandvate lennumasinate suurust. Näiteks demonstreeris USA tehnoloogiaettevõte AeroVironment 2011. aastal enda Nano Hummingbirdi (nanokoolibri), mille tiibade siruulatus oli 16,5 sentimeetrit. See suutis lennata vertikaalselt ja horisontaalselt, hõljuda kohapeal vastutuult ning lisaks oli väga kerge – vaid 19 grammi, mis on vähem kui mõned AA patareid. Sellel oli ka kaamera, kommunikatsioonisüsteemid ja energiaallikas.

Ettevõte  TechJet näitas hiljuti robotkiili, mille tiibade siruulatus on 15 cm ning mis kaalub 5,5 grammi. Seda saab varustada ka elektroonikapakettidega, mis võimaldavad HD-videot ning juhtmeta suhtlust. See robotkiil kasutab resonantsi. Kui tiivad liiguvad kõige efektiivsemal sagedusel (kui õhutihedus, tiibade kiirus ja subjekti kaal on ideaalses tasakaalus), tekitavad nad õhukeeriseid, mis hääbuvad ja kasvavad. Selle tulemusel näiteks kuuleme mesilaste suminat. TechJet lasi toote turule juba eelmisel aastal ning selle aasta lõpuks plaanitakse välja lasta uus versioon ka välisturule.

Tugevama drooni ehitamine

Kuigi väikesi droone on ehitatud palju, on üheks püsivaks probleemiks ootamatute kokkupõrgete põhjustatud kahju, seega Guiler ja Vaneck keskendusid vastupidavusele. Koos Woodiga kandideerisid nad USA õhujõudude toetusele. Nad kasutasid pildistamise süsteemi, et salvestada ja analüüsida kärbse käitumist enne klaasiga kokkupõrkamist, pärast seda ja selle ajal. Jälgides kärbse kehaosade asendeid, suutsid nad täpselt mõõta tiibade ja jalgade liikumist. Vastupidiselt ootustele ei kaotanud kärbes kokkupõrke tagajärjel kõrgust, vaid taastus kiiresti ja sujuvalt.

Kärbse keha uurides jõuti järeldusele, et selle kehaosad käituvad löögileevendina. Samuti näis kärbes tajuvat eelseisvaid kokkupõrkeid – hetk enne kokkupuudet lendas kärbes sellise nurga all, et tema jalad puudutaksid klaasi esimesena.“Ta tabab takistust ja suudab taastuda kahe või kolme tiivalöögiga, mis on fenomenaalne,“ ütles Vaneck, „ei ole olemas inimloodud süsteemi, mis seda suudaks.“

Insenerid kasutasid avastatut, et arendada elastset lennumasinat. Keha pidi olema põrutuskindel ning tiibu pidi saama eraldi kontrollida. Selle jaoks kujundati kest kvadrootori jaoks, kuhu paigutati ka süsinikkiust ja plastist tehtud löögileevendid. Igale rootorile paigutati mootor, et jäljendada muutuvat tiivakiirust, mis võimaldab nelja tiivaga putukatele väga head manööverdamisvõimet. Kui sõiduk puhutakse positsioonist eemale või puutub kokku takistusega, arvutab arvuti välja erinevuse masina asukoha ning programmeeritud lennutrajektoori vahel ning autopiloot lülitub automaatselt tööle, et stabiilsus taastada.

Eelmise aasta veebruaris saadeti drooni nimega InstantEye iga-aastasele Army Expeditionary Warrior eksperimentidele, kus jalaväerühm kasutas seda oma ülesannete täitmiseks ning sõdurid andsid masinale kõrge hinnangu.

Tulevikuprobleemid

Kuigi esimene generatsioon mikrodroone lastakse müüki, on sellel alal veel suuri väljakutseid. Woodi jaoks on üheks probleemiks energia. Erinevalt suuremast InstantEyest, Nano Hummingbirdist ja Dragonfly droonidest peavad robotputukad olema ühendatud välise energiaallikaga. Selle jaoks üritab Wood kahandada pardal olevaid patareisid, tehes koostööd Harvardi ja Washingtoni ülikoolide uurijate ning Massachusettsi tehnoloogiainstituudiga, et luua uudseid patareisid, mikroakumulaatoreid ning juhtmeta energiaülekandeid. Tema hinnangul on nad ühe-kahe aasta kaugusel esimesest autonoomse energia demonstratsioonist.
Guiller ja Vaneck soovivad asendada kvadrootori propellerid tiibadega, sest propellerid kipuvad jätkuvalt puuokstesse või elektriliinidesse kinni jääma.

Dickinsoni järgmiseks sammuks robotkärbse ehitamisest on putukate lennu uurimine ning nende ajudes neuronite aktiivsuse salvestamine elektroodide abil. Ta ühendab need lennusimulatsiooni süsteemiga ja esitleb visuaalseid stiimuleid (näiteks pilt kiskjast), mis põhjustab kärbestes reaktsioone, mõistmaks kuidas kärbsed manööverdavad ja end juhivad.

Kõik need uuendused võivad viia veel kergemate ja väiksemate droonideni ning nende kasutusvõimalused suurenevad. Guiller ja Vaneck plaanivad InstantEye müüa sõjaväele ja politseile, mis aga võib kaasa tuua probleeme jälgimisvaldkonnas. Wood loodab enda robotputukatele leida paremat otstarvet – kuna karbitäis, kus oleks 1000 robotputukat, kaaluks 0,5 kg, saaks neid hõlpsalt saata katastroofialadele, et aidata leida ellujääjaid. Need saaksid ka jälgida liiklust ja keskkonda ning tolmeldada saaki ning koguda infot looduse kohta.

Vaata ka videoid:

Allikad ja lisalugemist: Popular Science, International Business Times

Fotod: Air Force, Travis Rathbone, DARPA / Wikimedia Commons

Toimetas Marlen Laanep