スパイハエのしくみ

わが国はなじみのない領土で戦争をしており、戦いが始まろうとしています。敵の地上部隊は、わずか2マイル（3.2 km）離れた場所にある私たちの軍隊を攻撃するために自分たちを配置しています。しかし、敵はそのすべての動きが頭上を飛んでいる小さなカメラを備えたロボット昆虫によって監視されていることを知りません。超小型無人飛行機（MAV）と呼ばれるこれらの小さなロボットフライヤーは、下の敵軍にほとんど気づかれずに敵の領土を飛び交うことができます。これらの10セント硬貨サイズの飛行ロボットを2度見る人はほとんどいません。

米国防総省は、これらのMAVSを開発するために数百万ドルを費やしています。これらは、偵察任務中に兵士を危害から遠ざけるのに最適な方法です。今日、戦闘中に偵察を収集するには、通常、兵士の小さなチームまたは大型の航空機を危険にさらすことになります。同時に、地上の兵士が衛星画像にすぐにアクセスすることはできません。

国防アドバンス研究計画庁（DARPA）は長さ、幅、高さ6インチ（14センチ）よりも大きくないMAVSを開発するために、いくつかの研究チームに資金を提供しています。これらの小さな航空機は、これまでに開発された無人航空機（UAV）よりも1桁小さくなります。これらのMAVの1つのクラスは、ハエ、ミツバチ、トンボなどの特定の昆虫の飛行運動を模倣するように設計されています。この記事では、これらのバグのようなMAVに焦点を当てます。ハエがどのように飛ぶか、その動きを模倣するために機械をどのように構築できるか、そしてこれらの小さな空中装置がどこに配備されるかを学びます。

 

 

コンテンツ

1. 飛ぶことを学ぶ
2. ロボバグは飛行の準備をします
3. マイクロメカニカルフライング昆虫
4. 壁に飛ぶ

ハエは、固定翼航空機の研究からは学ぶことができない航空について私たちに教えることがたくさんあります。何年もの間、昆虫の飛行の仕組みについてはほとんど知られていませんでしたが、彼らは世界最古の飛行士のグループであり、自然の戦闘機と呼ばれることもあります。従来の空気力学ではマルハナバチが飛べないことを聞いたことがあるかもしれません。これは、昆虫の飛行の背後にある原理が、固定翼飛行機の飛行の背後にある原理とは大きく異なるためです。

カリフォルニア大学バークレー校の生物学者であるマイケル・ディキンソン氏は、「エンジニアは、マルハナバチが飛べないことを証明できると言っている」と語った。 「そして、固定翼航空機の理論を昆虫に適用すると、昆虫は飛べないと計算されます。別のものを使用する必要があります。」

ディキンソンは、昆虫の飛行原理を使用して小型の飛行ロボットを開発しているMicromechanical Flying Insect（MFI）プロジェクトの一部です。このプロジェクトはDARPAと協力しています。 MFIプロジェクトは、幅が約10〜25ミリメートル（0.39〜0.98インチ）で、DARPAの制限である6インチ（15 cm）よりもはるかに小さいロボット昆虫を提案しており、羽ばたき翼を使用して飛行します。プロジェクトの目標は、クロバエの飛行を再現することです。 

飛行機のしくみの記事を読むと、飛行機は翼の下部よりも翼の上部を速く移動するため、揚力が発生することがわかります。これは、定常状態の空気力学と呼ばれます。ハエやミツバチの羽は常に動いているため、同じ原理をハエやミツバチに適用することはできません。

「彼らの安定した、流れ（粘度なし）はほぼ非粘性のダイナミクスと固定翼機とは異なり、昆虫は小さな囲まれた渦の海に飛ぶ渦と、彼らは彼らの翼を動かしたときに作成されて旋風、」言ったZ.ジェーン王、Aはコーネル大学工学部の物理学者。渦は翼によって生成される空気の渦潮であり、渦の中の空気は空気の主流とは反対の方向に流れています。

昆虫の翅によって生成された渦は、昆虫を上空に保ちます。ディキンソンのグループは、昆虫がどのように揚力を獲得し、空中にとどまるかを説明するために、これらの3つの原則を概説しています。

「昆虫ロボットを構築することで、これらのメカニズムも活用できれば、本当に気が利くでしょう。しかし、既知の原理に基づいて構築することはできません。問題を根本的に再考する必要があります」とディキンソン氏は述べています。次のセクションでは、研究者がこれらの原則をどのように取り入れ、ロボットの飛翔昆虫の作成に適用するかを学びます。

昆虫の飛行の原則に触発された少なくとも2つのDARPA資金によるMAVプロジェクトがあります。マイケル・ディキンソンがバークレー校で微細機械の飛翔昆虫を作成している間、ジョージア工科大学の研究エンジニアであるロバート・マイケルソンはエントモプターに取り組んでいます。両方のプロジェクトを詳しく見てみましょう。

エントモプター

2000年7月、米国特許庁は、マルチモーダル電気機械昆虫とも呼ばれるミシェルソンのエントモプターの発明について、ジョージア工科大学に特許を付与しました。Entomopterは、米国特許番号6,082,671に従って、可能な屋内操作用に設計されています。翼を羽ばたかせて揚力を発生させることにより、昆虫の戦いを模倣します。さらに、研究者たちは、エントモプターが廊下や換気システムをナビゲートし、ドアの下を這う方法を研究しています。

Entomopterの基本的な部分を見てみましょう。

Entomopterは化学反応を動力源としています。一液式推進薬が体内に注入され、化学反応を引き起こしてガスを放出します。蓄積されたガス圧が胴体のピストンを押します。このピストンは、ピボット結合された翼に接続されており、翼が急速に羽ばたきます。ガスの一部は翼の通気口から排出され、車両が旋回できるようにどちらかの翼の揚力を変更するために使用できます。現在、Entomopterの翼幅は10インチ（25 cm）です。 「次のステップは、RCMデバイスをバグサイズに縮小することです」とMichelson氏は述べています。

イエバエほどの大きさの乗り物では、すべての部品が複数のタスクを実行する必要があります。たとえば、車両の後部に取り付けられた無線アンテナは、ナビゲーション用のスタビライザーとしても機能する場合があります。脚は、飛行中に車両の重量とバランスを調整するための燃料を蓄えることができます。

米国政府はまた、一般的なイエバエのサイズのロボット昆虫を開発するためのバークレープロジェクトに250万ドルを投資しました。このマイクロメカニカルフライング昆虫（MFI）を空中に飛ばすための最初の主要なステップは、ロボフリーの開発でした。これにより、研究者は昆虫の飛行メカニズムに関する重要な洞察を得ることができました。

MFIを構築するために、研究者はハエがどのように飛ぶかを学ぶために実験を行いました。実験の1つは、ロボフリーと呼ばれる10インチ（25 cm）のロボットの翼のペアを構築することでした。これは、プレキシガラスでできており、ミバエの翼をモデルにしています。翼は鉱油のタンクに浸され、それはそれらをより小さな、長さ1ミリメートルのミバエの翼が空中で急速に鼓動するように反応させます。 6つのモーター（各翼に3つ）が翼を前後、上下、回転運動で動かしました。翼の力を測定するためにセンサーが取り付けられました。

最終的に、Roboflyは、幅が10〜25 mm（0.4〜1インチ）、重さが約43 mm（0.002オンス）のステンレス鋼のマイクロロボットフライに縮小されます。翼は薄いマイラーフィルムで作られます。太陽光発電は、翼をフラップに押し込む圧電アクチュエータを実行します。ロボットの胸部は、圧電アクチュエータのたわみを、飛行を実現するために必要な大きな翼のストロークと回転に変換します。

ロボットはまだ飛行していませんが、揚力に必要な力の約90％は、完全に機能する2翼構造で実験的に達成されたと報告されています。次のステップは、リモートコントロール用の飛行制御ユニットと通信ユニットを追加することです。研究者たちは、光学センシングと搭載されたジャイロスコープによって制御されたホバリングを可能にすることに取り組んでいると言います。

米軍がMAV（超小型飛行機）プロジェクトに投入している金額を考えると、これらのロボットバグの最初の使用はスパイハエである可能性があります。 DARPAは、偵察任務に使用でき、地上の兵士が制御できるスパイフライを想定しています。この小型の空飛ぶ乗り物は、軍隊の動きの画像を中継するだけでなく、生物兵器、化学兵器、核兵器の検出にも使用できます。さらに、ロボットの昆虫は敵の車両に着陸し、電子タグを付けることができるため、より簡単に標的にできます。

で1997レポートMAVSの開発に関するDARPAから、著者はを含むマイクロテクノロジーの進歩、と書いた微小電気機械システム（MEMS）は、すぐにスパイが実現可能なアイデアを飛ぶになるだろう。彼は、CCDアレイカメラ、小さな赤外線センサー、チップサイズの有害物質検出器などのマイクロシステムが、スパイフライのアーキテクチャに統合できるほど小さくなっていることを指摘しました。

軍は、航続距離が約6.2マイル（10 km）で、昼夜を問わず飛行し、約1時間空中を飛行できるMAVを望んでいます。DARPAの関係者によると、MAVの理想的な速度は22〜45 mph（35.4〜72.4 kph）です。それは、指向性アンテナを採用し、MAVとの継続的な接触を維持する地上局から制御されます。

ロボットのハエは、新世代の惑星間探査機としても適しています。ジョージア工科大学研究所（GTRI）がから資金提供を受けた高度な概念のためのNASA研究所飛ぶようEntomopterを使用してアイデア勉強する（NIAC）火星の測量を。2001年3月、NASAは、将来の火星のマイクロミッションを見越して、研究の第2フェーズに資金を提供しました。

Entomoptersには、大規模な測量士に比べていくつかの利点があります。彼らは着陸、離陸、ホバリング、そして飛行中のより困難な操縦を行うことができるでしょう。這って飛ぶ能力は​​、他の惑星を探索する上でも有利です。おそらく、NASAは他の惑星を探索するためにこれらの監視車両を何十台も送るでしょう。 Entomopterの開発者であるRobMichelsonは、火星の薄い大気を飛行するには、火星バージョンのEntomopterの翼幅が約1メートルになるようにサイズを大きくする必要があると述べました。

研究者たちは、これらの小さな飛行ロボットは、地震、竜巻、地滑りなどの自然災害の余波にも役立つだろうと述べています。サイズが小さく、飛んだりホバリングしたりできるので、瓦礫に埋もれている人を探すのに便利です。彼らは、人間やより大きな機械がナビゲートできない隙間の間を飛ぶ可能性があります。その他の用途には、交通監視、国境監視、野生生物調査、送電線検査、不動産航空写真などがあります。

スパイハエは、テクノロジーが人間の危険なタスクの実行を支援し、人間が危害を加えないようにする方法のさらに別の例です。軍事偵察、地震の犠牲者の捜索、他の世界への旅行はすべて危険な活動です。マイクロロボットを飛ばすと、実際にそこにいなくてもこれらのタスクを実行できます。

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