Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Atraktivní projekty: Roboty jako mouchy
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Atraktivní projekty: Roboty jako mouchy

Ze všech létajících tvorů na Zemi nás nejvíc fascinuje hmyz. Může se vznášet, snadno pohybovat v libovolném směru a umí se vyhnout šíleně rychle letící plácačce. Není divu, že inspiroval skupinu vědců a inženýrů postavit nejmenší a nejvíce agilní létající roboty.

Vědec Kevin Ma a jeho kolegové z Harvardské univerzity v Cambridgi v americkém státě Massachusetts si vyrobili zařízení, které může imitovat let, velikost a další schopnosti mnoha stejných letových vzorů – mušek. Jejich robot o velikosti čtvrtdolaru byl inspirován mouchou (ačkoli ho vědci nazvali RoboBees čili robovčela). Je veliký jako kancelářská sponka, váží méně než desetinu gramu a může mávat průhlednými křídly rychlostí až 120krát za sekundu.

Konstrukce

Tuto velice překvapivou zprávu oznámil začátkem května seriózní vědecký magazín Science. Kevin Ma a jeho kolegové popsali svou konstrukci: Křídla robotické mouchy se skládají z tenkých polyesterových filmů vyztužených žebry z uhlíkových vláken a její „svaly“ jsou vyrobeny z piezoelektrických krystalů, které se zmenšují nebo protahují v závislosti na napětí. Díky tomu mávají křídla robotu rychlostí jako skutečná moucha domácí. Drobné součásti, z nichž některé jsou velké v řádu mikrometrů, lze vyrobit pomocí konvenčních výrobních technologií jen velmi obtížně. Proto vytvořili vrstvy plochých ohebných materiálů s pružnými závěsy.

01 Umělá létající moucha je na světě.

Elektrotechnik Ronald Fearing, který pracuje na vývoji robotické mouchy na University of California v Berkeley, komentoval senzační zprávu: „To je velký průlom do technického vývoje, který trvá již patnáct let. Zveřejněná práce také povede k lepšímu pochopení aerodynamiky křídel hmyzu, protože používá inženýrský systém, který lze snadněji měnit a ovládat, než to dokáže samotná moucha."

Michael Dickinson, neurolog na University of Washington v Seattlu, uvedl: „Schopnost vyrábět tyto malé ohebné klouby se projeví i v mnoha dalších aspektech robotiky, které mají co do činění s výrobou robotické mouchy.“

Létající minirobot váží pouhých osmdesát miligramů a neunese vlastní zdroj energie, takže musí být spojen se zdrojem na zemi. To také umožňuje sledovat na počítači jeho pohyb a upravovat ho. Může se pohybovat do stran nebo zůstat ve vzduchu viset nad jedním místem.


Robofly je neviditelný (stealt) robotický průzkumník velký jako moucha.

Největší technickou překážku samostatného letu tedy představuje akumulátor, který není dost malý, aby ho unesly robotické mouchy. V současné době váží nejmenší baterie s dostatkem výkonu zhruba půl gramu, což je desetkrát více, než kolik moucha unese. Vědci se domnívají, že se tento nedostatek podaří odstranit do pěti, snad deseti let. Možná se podaří najít jiný zdroj energie.

Jak využít energetických vln?

Energie vyzařuje z telekomunikačních vysílačů, mikrovlnné trouby i z chodníků rozpálených slunečními paprsky. A není využita. Takže s ní plýtváme. Tomu chce zabránit nový projekt, který Bor Yann Liaw, jeden z klíčových výzkumných pracovníků University of Hawaii, nazval „recyklace vlnového odpadu“.

Energie z elektromagnetických vln je čistá, přírodní a zdarma. Špatnou zprávou je, že množství energie získané z těchto zdrojů je stále poměrně malé. Nestačí třeba pro to na elektrický pohon nebo dokonce na provoz notebooku. Naopak dobré je, že energetická náročnost nových zařízení stále klesá. Využívání energie z okolí jako životaschopný alternativní zdroj představuje pokrok v konstrukci polovodičů. Zařízení, která dříve vyžadovala watty, nyní běží na miliwatty a brzy jim budou stačit pouze mikrowatty.

Možné aplikace jsou ohromující. Především v miniaturních senzorech. Nové technologie postavené na získávání energie z energetických vln by se brzy mohly nasadit do požárních alarmů, které by hlásily výskyt kouřových plynů. Jinou možností jsou bezpečnostní senzory chránící určitá místa před narušením. Tato čidla nepotřebují baterie, ale jsou napájena z elektromagnetických vln, jimiž je zaplněn prostor kolem nich. Fakt, že by se nemusely používat baterie, které obsahují těžké kovy, by představoval pozitivní dopad na životní prostředí.

Význam i pro armádu

O tom, že by napájení určitých zařízení bez nasazení baterií mělo velký význam i pro armádu, jistě nikdo nepochybuje. Společnost Ambient Micro LLC, se sídlem na havajském ostrově Maui, ve výzkumném středisku Research & Technology Center, obdržela od amerického letectva tučný příspěvek na výzkum a vývoj prototypu napájení senzorů na malých bezpilotních letounech. Použití takové technologie v nepříliš vzdálené budoucnosti by jistě uvítaly vojenské bojové hlídky a policejní týmy. Snadno by mohly posílat miniaturní roboty velikosti čmeláka nebo dokonce jen mouchy na průzkum do bunkrů nebo nebezpečných domů. Robofly je neviditelný (stealth) robotický průzkumník velký jako moucha. Čety takového hmyzu by jednoho dne mohly být poslány vyhledávat cíle, shromažďovat a poskytovat informace o poškození určitého cíle nebo vyhledávat chemické a biologické bojové látky.

Vnitřní bezpečnost je další oblastí, kde by mohly mít úspěch. Všechny úseky nebo jen části americko-mexické hranice by mohly být vybaveny senzory, které by působily jako neviditelný energetický zátaras, který ostatně již prostupuje většinu vzdušného prostoru Severní Ameriky.

Další možné využití

V medicíně by tento energetický zdroj jistě také způsobil revoluci. Například mikroskopické skenery napájené z okolní energie by mohly plavat krevním řečištěm a hledat nemocné tkáně.

Plechovky nebo jiné obaly v regálech obchodů by samy mohly posílat své vlastní inventární sestavy pomocí radiofrekvenčních tagů. Rychle se kazící zboží by mohlo poslat signál skladníkům, že se blíží konec jejich záruční lhůty. Ale asi prvním použitím této technologie by mohlo být sledování ohrožených pouštních želv na letecké základně Edwards Air Force Base v Kalifornii.

Ambient Micro si klade za cíl vyvinout malý přístroj, který využívá nejen fotony (viditelné světlo a neviditelné elektromagnetické záření), ale také konvertuje zvukové vlny, využívá vibrace a teplotní rozdíly.

Grafen v superlativech

S trochou nadsázky můžeme konstatovat, že se téměř denně na odborných serverech nebo ve vědeckotechnických časopisech i na specializovaných stránkách deníků objevují pochvalné články o možnostech grafenu. Evropská unie už do výzkumu tohoto materiálu investovala 1,5 miliardy dolarů. Pozadu nezůstávají ani Jižní Korea či USA.

Podivuhodný materiál budoucnosti

Hovoří se o něm jako o podivuhodném materiálu budoucnosti nejméně od té doby, kdy byla v roce 2010 jeho objevitelům Andreji Geimovi a Konstantinu Novoselovovi udělena Nobelova cena za fyziku. Ale již v roce 2004 se jim podařilo připravit tuto zcela revoluční formu uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků.


Ohebná tenká fólie z grafenu

Závody v laboratořích jsou v plném proudu. Grafen provokuje výzkumníky na celém světě, aby jej uplatnili v nejrůznějších aplikacích. Vynikající vlastnosti materiálu, jehož struktura připomíná pletivo do králíkárny, se uplatní také v nanotechnologiích – uvádí ve svém projektu Centrum pro nanotechnologie CENIDE na univerzitě Duisburg-Essen. Počítá se s ním i jako se základním materiálem pro výrobu počítačových čipů a solárních článků. Díky jeho vysoké elektrické vodivosti se v něm pohybují elektrony 200krát rychleji než v křemíku. Proti dosud používaným polovodičům je nový materiál transparentní a hodí se proto i na displeje a světelné diody.

Jako sci-fi

Když se „list“ grafenu tenký jako cigaretový papír sroluje, vytvoří nanotrubičku. Ta však existovala již před grafenem a vyznačovala se také pozoruhodnými vlastnostmi. Její průměr činí pouze několik nanometrů. Jsou většinou 1 000krát delší, než jsou tlusté, takže skutečně můžeme mluvit o ruličkách. Výzkumníci už také vytvořili roury dlouhé až dvacet centimetrů, tzv. nanotrubičky, jež jsou mimořádně pevné. Vydrží zatížení až 15krát větší než ocel. A přitom jsou mnohem lehčí. Nanotrubičky váží jen 1,3 gramu na čtvereční centimetr, ocel naproti tomu 7,8 gramu. Uhlíkové nanotrubičky vodí elektrický proud tisíckrát lépe než olovo a teplo 2,5krát lépe než diamant, což je nejlepší přírodní tepelný vodič. Takže se uvažuje o nasazení grafenu do projektu kosmického výtahu ze země k satelitu.

Výhledy některých výzkumů, které počítají s touto zvláštní formou uhlíku, vypadají, jako by byly převzaty přímo z románů sci-fi. Například televize, kterou lze srolovat jako tapetu, skládací displeje, které se snadno vejdou do kapsy, nebo detektory světla, které dramaticky zvyšují přenos dat optických sítí.

Zlepšit výkon počítačových čipů lze především dvěma způsoby: buď se musí tranzistory dále zmenšovat, aby se zkrátily dráhy elektronů, nebo použitý materiál musí umožnit naopak vyšší pohyblivost elektronů. Za posledních čtyřicet let se průmysl zaměřil na miniaturizaci, ale tento přístup naráží na své fyzické limity. Vzhledem k vysoké rychlosti elektronů v grafenu je však tento materiál předním kandidátem na tu druhou cestu.

Náhrada křemíku i oceli?

Velké elektronické koncerny Samsung a IBM již informovaly o výzkumu zázračných čipů, které by mohly pracovat místo s třemi sty dokonce s tisícem gigahertzů, kdyby se místo křemíku používal grafen. Pro další směr vývoje se rozhodli fyzici na univerzitě v bavorském Erlangenu. Už v roce 2009 vyvinuli metodu pro velkoplošnou výrobu grafenu na karbidokřemíkové vrstvě. Nyní profesor Heiko Weber, vedoucí katedry aplikované fyziky, a jeho kolegové udělali další krok. „Použili jsme karbid křemíku jako nosnou vrstvu pro růst grafenu, ovšem nikoliv jako izolační, ale jako vodivé struktury vrstev,“ říká Weber. „To znamená, že pro elektronické procesy využíváme vlastnosti obou materiálů.“

Sny o kouzelných čipech, jakož i o všech dalších průmyslových aplikacích grafenu, jsou úzce vázány na nové výrobní postupy.

Vzhledem k tomu, že žijeme ve světě, který vděčí za svou prosperitu stále dokonalejším, rafinovanějším materiálům, potřebujeme mít dost takových materiálů také v budoucnu. V tomto ohledu by grafen mohl hrát významnou roli. V úvahu přicházejí například stavby mostů. Protože má grafen 100krát vyšší pevnost v tahu než ocel, mohla by například ona dvě základní nosná lana proslulého Golden Gate Bridge v San Franciscu mít průměr nikoliv 92 centimetrů, ale jen jeden centimetr.
Ale to už jsme opravdu popustili uzdu naší fantazii.

Karel Sedláček

ksedlacek@iol.cz

Další články

Všeobecné strojírenství
Zajímavosti ve vědě a technice
Letecký průmysl
Výzkum/ vývoj
Materiály konstrukční nekovové
Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: