Wetenschappers laten klein robotinsect draadloos vliegen via een laser

Wetenschappers van de Amerikaanse Universiteit van Washington hebben een kleine insectrobot laten vliegen door middel van een laser. De laser zorgt voor de energie, waardoor er geen draad meer nodig is voor de stroomvoorziening.

De onderzoekers hebben een bijna onzichtbare laserstraal op een aan RoboFly bevestigde fotovoltaïsche cel gericht, waarmee het licht wordt omgezet in genoeg elektriciteit zodat de robot zijn twee kleine vleugels snel kan laten bewegen. De robot, die niet veel zwaarder is dan een tandenstoker en bijna klein genoeg is voor iemands vingertoppen, maakt gebruikt van vleugels omdat hij te klein is voor propellers. In de video is te zien hoe RoboFly kort van de grond komt, maar van echt gecontroleerd rondvliegen is nog geen sprake. Zodra hij opstijgt komt de fotovoltaïsche cel buiten bereik van de laser, waardoor er geen stroom meer kan worden opgewekt.

Het laten klappen of bewegen van de vleugels was een aanzienlijke uitdaging, omdat dit veel energie vergt. Onderzoeker Sawyer Fuller vindt dat een vliegende robot in staat moet zijn om vrij te opereren zonder de noodzaak van een draad. Het toepassen van een laser bleek de meest efficiënte manier om snel veel energie over te dragen, zonder dat er veel gewicht hoeft te worden toegevoegd.

De laser bleek echter nog onvoldoende voor de benodigde spanning om de vleugels van RoboFly te laten bewegen. Om dat op te lossen hebben de onderzoekers een circuit in de robot ingebouwd waarmee de spanning aanzienlijk kan worden verhoogd: de 7V van de fotovoltaïsche cel kan worden verhoogd naar 240V.

Om daadwerkelijk van de grond te komen moet RoboFly controle hebben over zijn eigen vleugels. Daartoe is aan het circuit om de spanning te verhogen, ook een microcontroller toegevoegd. Deze microcontroller stuurt een signaal naar de vleugels, waardoor ze op de gewenste momenten heel hard moeten bewegen of juist niet. Daartoe stuurt de controller de spanning in golven, om het fladderen van de vleugels van echte insecten na te bootsen. Om bijvoorbeeld de vleugels snel naar voren te laten klappen, stuurt de controller snel achter elkaar een reeks pulsen, waarna de pulsatie wordt vertraagd als de top van de golf in zicht komt. Dit proces wordt omgedraaid om de vleugels in de andere richting te laten bewegen.

De RoboFly kan allerlei toepassingen krijgen, maar volgens Fuller is er bijvoorbeeld een rol weggelegd voor de insectrobot om bijvoorbeeld methaanlekken op te sporen. "Je kan een koffer vol met de robots openen en ze door een gebouw laten vliegen, op zoek naar gaspluimen die weglekken uit leidingen en pijpen".

De huidige versie van RoboFly heeft een laser nodig, maar toekomstige versies kunnen wellicht van stroom worden voorzien door kleine batterijen of hun energie halen uit radiogolven. Daarmee kan de stroombehoefte worden aangepast aan de gewenste taken. Een toekomstige versie zal ook een geavanceerdere controller en sensoren bevatten die de robot autonoom laten navigeren. De onderzoekers presenteren hun bevindingen op 23 mei tijdens een de International Conference on Robotics and Automation-conferentie in het Australische Brisbane.

Onderzoeker Fuller was ook verantwoordelijk voor de RoboBee, een twee centimeter kleine robot die in staat is om te vliegen, in het water te landen, te zwemmen en weer vanuit het water op te stijgen. Voor de voortstuwing vanuit het water wordt gebruikgemaakt van elektrolyse. Een belangrijk verschil tussen RoboBee en RoboFly is dat eerstgenoemde nog afhankelijk was van een draad voor de stroomvoorziening en de aansturing.

Reacties (45)

[svenvbins]

Ik meen hier al eerder verhalen over gehoord te hebben, maar kan het artikel dat ik in mijn hoofd had niet meer vinden.
Wel deze:
https://www.popularmechan...s-uav-in-flight-11091133/
48 uur vliegen ipv 2 uur in een windtunnel door met een laser energie aan te voeren!

[AOC]

Vraag mij af hé, als sommige dieren met minimaal voeding zoveel beweging kunnen genereren. Waarom vergroten we zo'n beestje (vlieg) niet en zetten er wat elektro generatoren op beetje suiker toevoegen als brandstof

[Keypunchie]

Dat vergroten is juist het probleem.

De oppervlakte van vleugels gebruikt een vlieg voor lift. Die neemt met vergroten kwadratisch toe.
De inhoud van een vlieg is zijn gewicht, die neemt met vegroten met een 3-macht toe.

Stel je het kubusvliegje voor als model voor een vliegend beest.

Die is 1 bij 1 bij 1 aan afstandseenheden. Dat is dus 1x1x6 (zijdes) = 6 oppervlakte en 1x1x1 = 1 inhoudseenheden.

Nu verdubbel je de dimensies naar 2 bij 2 bij 2. Dat is dus 2x2x6 (zijdes) = 24 oppervlakte-eenheden, maar 2x2x2 = 8 inhoudseenheden.

Nog een keer verdubbelen is 4x4x6 = 96 oppervlakte en 4x4x4= 64 inhoud.

De verhouding oppervlakte/inhoud was nog 6-tot-1. Bij de verdubbeling is het nog maar 3-tot-1 en bij de laatste verdubeling is het 1,5-tot-1.

Hierin is voor het rekengemak nog niet eens meegenomen dat een vliegje niet met al zijn oppervlakte lift genereert (doet hij met de vleugels).

Oftewel, een vliegje kan juist vliegen omdat hij licht is. Daarom kost het hem zo weinig energie.

[Reactie gewijzigd door Keypunchie op 25 juli 2024 21:37]

[DirtyBird]

Komt nog bij dat hun tracheën netwerk in het lichaam niet goed schaalt. Ze zouden dus niet genoeg zuurstof kunnen aanvoeren om de grotere spieren te laten werken.

[Verwijderd]

Een daar komt weer bij dat bij verdere schaalvergroting de koeling een probleem kan worden.
Hier een grappig doch interessant artikel over waarom de beroemde vliegende olifant Dombo in werkelijkheid niet haalbaar is.

[Cerberus_tm]

Ik meen dat dat inderdaad vooral voor geleedpotigen een probleem is, met hun isolerende exoskelet. Er zijn alleen grote geleedpotigen in het water, waar je goed kunt koelen.

[Verwijderd]

"De oppervlakte van vleugels gebruikt een vlieg voor lift. Die neemt met vergroten kwadratisch toe."

Klopt dat wel? Uit de liftformule blijkt dat volgens mij niet: L = CL ½ ρV2 S. De laatste S is de vleugeloppervlakte.

Mijn voorstelling van zaken is, is dat het makkelijker is om een groot vliegtuig te laten vliegen dan een klein vliegtuig (aerodynamisch gezien, constructie buiten beschouwing). Een vliegje kan m.i. vliegen omdat de snelheid van de vleugels zo enorm hoog is. Waarom die zo hoog kan zijn is voor mij ook een vraag.

[Keypunchie]

Nou, een vlieg is geen kubus, dit ging meer over waarom schalen niet zo makkelijk werkt.

Die lift-wet heb ik even bekeken op Wikipedia, dus met mijn begrip daarvan:
Lift is een grootheid gemeten in de eenheid Newton. Even simpel gezegd: Hoeveel kracht je hebt. Hoe meer kracht hoe meer gewicht je kan tillen.

Terug naar het (fictieve!) kubusvliegje. Dit vliegje heeft de magische eigenschap dat elk oppervlak meetelt voor de lift. Oftewel, die S uit de formule staat gelijk aan zijn volledige oppervlakte.

De andere variabelen staan voor zaken als relatieve luchtsnelheid, liftcoefficient en dichtheid van de lucht. Die blijven gelijk. Oftewel, voor het magische kubusvliegje is de toename in Lift evenredig met zijn oppervlakte.

Maar die lift gebruik je om iets op te tillen. In het geval van het kubusvliegje, zichzelf. Even aannemende dat de dichtheid gelijk blijft, dan is zijn gewicht iets dat met een 3e-macht toeneemt.

Dan blijft de bovenstaande rekensom relevant. Als je het vliegje groter maakt, wordt hij relatief veel zwaarder dan zijn (allezijdige) vleugeltjes toenemen in draagkracht.

Dus ja, een groter vliegtuig genereert meer lift dan een kleiner vliegtuig. Maar zal ook zwaarder zijn. Het verschil tussen een vliegtuig en een vliegje is dat de eerste hol is en de tweede niet*. De dichtheid (massa/omvang) van een Boeing-747 is lager dan de dichtheid van een Embraer-175.

(op basis van http://www.flugzeuginfo.net/acdata_php/acdata_7474_en.php en http://www.flugzeuginfo.net/acdata_php/acdata_emb175_en.php heb ik het nagerekend.
Even aangenomen dat de vliegtuigen puur een cilinder zijn en met pi=3.14, dan kom ik voor lege vliegtuigen uit op: 9,2kg/m3 voor de Embraer en 8,8 kg/m3 voor de Boeing)

(Heel benieuwd of dit hout snijdt. Dit is echt natuurkunde van de koude grond voor mij!)

*Het tweede verschil is uiteraard dat een vliegtuig lift genereert met motoren door die relatieve luchtsnelheid aan te passen en een vliegje dat doet door met vleugels te klapperen. Maar dat is ook voor het schalen niet zo van belang.

[Reactie gewijzigd door Keypunchie op 25 juli 2024 21:37]

[Verwijderd]

De essentie van de liftformule is dat lift kwadratisch toeneemt met de stroomsnelheid van de lucht. Maar er is nog iets anders interessant: S, de oppervlakte (lengte x breedte), kun je verkrijgen met een korte brede vleugel of met een smalle lange (slanke) vleugel.

Een slanke vleugel heeft minder weerstand dan een korte brede vleugel, ondanks dat het aangestroomde oppervlak, dus de voorzijde van de vleugel, bij een slanke vleugel hoger is. Dat komt omdat weerstand een neveneffect is van lift opwekken. Deze weerstand noem je geïnduceerde weerstand. Weerstand die optreedt omdat luchtmoleculen tegen de voorrand van de vleugel botsen is schadelijke weerstand. De totale weerstand is de som van deze. Hoe meer weerstand, hoe minder efficiënt er gevlogen kan worden.

En dan kom je volgens mij uiteindelijk uit bij het Reynoldsgetal. Zoek er maar eens op. Als je een vliegtuig kleiner maakt en daarbij ook het gewicht evenredig verlaagt, dan veranderen onvermijdelijk ook de vliegeigenschappen. Een kleiner vliegtuig zal verhoudingsgewijs steeds sneller moeten zijn om te kunnen vliegen.

[EnigmaNL]

De snelheid van die kleine vleugeltjes kan volgens mij zo hoog zijn omdat ze zo klein zijn en daarom minder weerstand ervaren en minder energie nodig hebben om bewogen te worden.

Volgens mij is dit een gevalletje square-cube law.

[Verwijderd]

De square-cube law verklaart waarom het makkelijker is om een grote boot snel te laten varen dan een kleine boot.

Mij is het niet duidelijk wat die wet betekent voor insecten. Ik zie geen verband.

[EnigmaNL]

De square-cube law gaat niet alleen op voor boten... Gaat op voor vanalles waaronder ook dieren. Lees maar eens.

[Reactie gewijzigd door EnigmaNL op 25 juli 2024 21:37]

[Verwijderd]

Als de square-cube law inderdaad ook betrekking heeft op insecten (waar ik niet zo zeker van ben), dan zou die wet moeten verklaren waarom grote insecten efficiënter zouden zijn dan kleine insecten. Of dat ook werkelijk ook zo is weet ik niet, maar ik kan me voorstellen dat een libelle een efficiëntere vliegmachine is dan een mug.

Zoals ik hierboven al opmerkte: Het klopt om te beginnen al niet dat lift kwadratisch toeneemt met vleugeloppervlakte. Dus die square-cube law zegt volgens mij niets over deze materie en helpt de originele vraagsteller niet veel verder.

[Dagg]

Ik interpreteer jouw opmerking als een serieuze reactie met een grappige side note waardoor ik er over na begon te denken. Volgens mij is het zo dat de verhouding 'massa - volume' zich niet evenredig ontwikkeld mocht je een 'grote' vlieg willen ontwikkelen met het zelfde energiesysteem/verhouding. Een beetje het zelfde als RC-auto's, die rijden ook niet qua snelheid 1:8 t.o.v. het origineel. Correct me if I'm wrong.

@Keypunchie was mij net voor zie ik met een duidelijke uitleg.

[Reactie gewijzigd door Dagg op 25 juli 2024 21:37]

[slowdive]

Levende insecten ombouwen tot cyborg gebeurde tien jaar geleden al.

[slowdive]

Black mirror liep in dit geval achter de feiten aan

[dakka]

simpsons did it

[Maurits van Baerle]

Ik vraag me af hoe ver je komt met een flinke 1000 lumen bouwlamp. Dat produceert waarschijnlijk minder energie per oppervlakte op de cel maar heeft minder last van nauwkeurig moeten richten.

[DirtyBird]

En hoeveel watt verbruikt die lamp? Het is bijna letterlijk met een kanon op een mug schieten. Zo'n bouwlamp vraagt een paar honderd watt t.o. 3-4 (?) watt voor zo'n laser.

[Maurits van Baerle]

Ach, 1000 lumen kun je al voor een paar watt produceren tegenwoordig. Bovendien, wat maakt dat uit? Zo’n lamp kan gewoon aangesloten zijn op het lichtnet. Het grote probleem dat opgelost moet worden is hoe je de ‘vlieg’ draadloos maakt zonder eigen energieopslag.

[majic]

1000 lumen is echt niet veel. Ik heb hier LED lampen van 2000 lumen elk (onderwater, ook nog). En die kunnen maar liefst 3 uur op 2 18650 batterijen mee gaan. Als je dan een heel klein stukje van dat licht gaat gebruiken om energie op te wekken, lijkt me dat dat extreem weinig gaat zijn. De meest energie in zo'n bouwlamp gaat verloren in de vorm van warmte. Het licht zelf is eigenlijk helemaal niet energie-intens.

[elamre]

"De laser bleek echter nog onvoldoende om de RoboFly de benodigde stroom te laten genereren om de vleugels te laten bewegen. Om dat op te lossen hebben de onderzoekers een circuit in de robot ingebouwd waarmee de spanning aanzienlijk kan worden verhoogd: de 7V van de fotovoltaïsche cel kan worden verhoogd naar 240V."
Neemt de stroom niet af bij het verhogen van de spanning, aangezien het vermogen van de laser hetzelfde blijft?

[Brousant]

Oorspronkelijk artikel: "Still, the laser alone does not provide enough voltage to move the wings."

"voltage" vertalen als "stroom" is gewoon fout.

[Johan9711]

Nee, het is niet fout. Ze zeggen dat de spanning word verhoogd. Dat is correct. Spanning is niet het zelfde als stroom.

[reneflo]

Ik vermoed dat de tekst van het (tweakers) artikel is aangepast als ik de eerste reactie lees. Er stond blijkbaar eerst stroom en dat is dus wel fout, want zoals je zelf ook al aangeeft, spanning is niet hetzelfde als stroom.

[TweakTom92]

Het is inderdaad aangepast! :-)

[TweakTom92]

Inderdaad. Het vermogen bij omvormen blijft gelijk (of wordt zelfs minder ivm verliezen bij omvorming) dus de stroom gaat recht evenredig omlaag (P = U * I).

Maar ik kan me goed voorstellen dat je een hoog voltage nodig hebt, bij elektromotoren staat een hoger voltage veelal gelijk aan een hoger maximaal toerental.

De woordkeuze in het stuk is naar mijn idee foutief.

Edit: het is aangepast

[Reactie gewijzigd door TweakTom92 op 25 juli 2024 21:37]

[matroosoft]

Punt is natuurlijk wel dat je line of sight nodig hebt, dus dat beperkt het wel. Neemt niet weg dat dit erg knap is. Vraag me wel af hoe een echte vlieg zoveel energie kan opslaan in zo'n klein volume?

[KoalaBear84]

Gok dat je het een heel eind kan vergelijking met ons lichaam, in totaal miljoenen jaren evolutie. Wij kunnen ook uren lopen of bewegen.

[xoniq]

Is dat niet de algehele schaalbaarheid?
Stel wij zouden te maken krijgen met reuzen, ter grootte van een wolkenkrabber, dan zou je hetzelfde kunnen denken.

Neemt niet weg dat er een groot verschil zit tussen een mens en een insect, de mens heeft al een groot energieverbruik door hetgeen we allemaal doen, en door het veel gebruiken van onze hersenen (voor velen in ieder geval ). De insect is iets simpeler 'gebouwd', en heeft slechts enkele primaire taken, en wijkt daar verder niet vanaf.

[JJ Le Funk]

robomug heeft een stuiptrekking en komt een fractie van een seconde los.
misschien dat vleugels hem toch niet gaat worden om (gecontroleerd) te kunnen vliegen.

[Maurits van Baerle]

Ik denk dat het niet aan de vleugels ligt maar aan de energiebron. Hij kan geen energie opslaan dus zodra de laser niet meer op de fotovoltaïsche cel richt krijgt die geen spanning meer en stoppen de vleugels weer.

[Verwijderd]

misschien dat vleugels hem toch niet gaat worden om (gecontroleerd) te kunnen vliegen.

Propellers worden bijzonder ineffectief als je ze zo klein moet maken.Een straalmotortje op die schaal is gewoon onpraktisch, een raketje kan je klein maken maar is ook niet erg handig. Voor trust komt dus alleen een vleugel in aanmerking. Het blijft wel bijzonder lastig.

[Dooxed]

Fantastisch, wel jammer dat dat zoeken naar methaanlekken met een groot aantal minirobotjes alleen mogelijk is in een concertzaal met lasershow

[Peoplen]

Je zou ook een laser kunnen plaatsen op een soort moederschip (drone). Bij een ramp oid vliegt het moederschip dan naar de plek des onheils en stuurt alle robotvliegjes aan.

[Chuk]

Doet mer weer denken aan die aflevering van Black Mirror en de robot bijen. Technologie als deze kan voor een tal van toepassing gebruikt worden. Van gaslek opsoringen (zoals in het artikel vermeld) tot subtiele sluipmoordenaar... Maar zover zijn we nog (lang) niet!

[Gelomidor]

Dat dacht ik dus ook ja!

[xoniq]

Hoever zou zo'n robotje kunnen gaan met een kleine knoop cel? Het gewicht zou wat toenemen, en wellicht te zwaar voor die vleugeltjes (ik heb hier geen kaas van gegeten, vandaar mijn vraag).