Ново устройство за скачане може да помогне на хората да излязат през други планети


Ново устройство за скачане може да помогне на хората да прекосят други планети, докато изследват.

Изследователите казват, че са създали устройство, което може да надскочи всяко животно или механична машина на Земята или в космоса.

Джъмперът е в състояние да постигне най-високата височина в земната гравитация – приблизително 100 фута – от всеки джъмпер до момента, проектиран или биологичен.

Той е разработен от професор по инженерство в Калифорнийския университет в Санта Барбара Елиът Хоукс и сътрудници, които казват, че представлява нов подход към дизайна на устройства за скачане и подобрява разбирането за скачането като форма на придвижване.

Приложенията за иновацията могат да видят скачащи роботи, способни да достигат места, до които в момента достигат само летящи роботи. Ползите биха били по-изразени и извън Земята: скачащите роботи биха могли да пътуват ефективно през луната или планетите.

„Мотивацията идва от научен въпрос“, каза Хоукс, който като роботист се стреми да разбере многото възможни методи, за да може машината да се ориентира в околната среда. “Искахме да разберем какви са ограниченията за проектираните джъмпери.”

Въпреки че има изследвания от векове върху биологични джъмпери и десетилетни изследвания върху предимно био-вдъхновени механични джъмпери, каза той, двете линии на проучване са запазени донякъде отделни.

„Наистина не е имало проучване, което да сравнява и контрастира двете и как техните граници са различни – дали инженерните скачачи наистина са ограничени до същите закони, които са биологичните скачачи“, каза Хоукс.

Проучването, публикувано в списание Nature, обяснява как изследователите са взели тези прозрения и са проектирали джъмпер, съвсем различен от биологичните джъмпери – размерът на пружината му спрямо неговия мотор е почти 100 пъти по-голям от този при животните. Освен това те измислиха нова пружина, като се стремяха да увеличат максимално съхранението на енергия за единица маса.

В тяхната хибридна пружина опън-компресия компресионните лъкове от въглеродни влакна се смачкват, докато гумените ленти се разтягат чрез изтеглянето на линия, увита около шпиндел, задвижван от мотор. Екипът установи, че свързването на огъващите се навън ръбове на лъковете през средата с гума в опън също подобрява здравината на пружината.

„Изненадващо, гумата прави компресионната лъкова пружина по-здрава“, каза Хоукс. “Можете да компресирате пружината допълнително, без да се счупи.”

скачане, инженерство, космос
Ново устройство за скачане може да помогне на хората да прекосят други планети.
Дийн Мъри/Зенгер

Джъмперът също е проектиран да бъде лек, с минимален заключващ механизъм за освобождаване на енергията за скока и аеродинамичен, със сгъваеми крака, за да се сведе до минимум въздушното съпротивление по време на полет.

Като цяло тези конструктивни характеристики му позволяват да ускори от 0 до 60 mph за 30 фута в секунда и да достигне приблизително 100 фута височина в демонстрациите на изследователите.

За моторно задвижвани джъмпери това е „близо до възможната граница на височината на скока с наличните в момента материали“, според проучването.

Този дизайн и способността да се превишават ограниченията, определени от биологичните проекти, поставят основата за преосмисляне на скачането като ефективна форма на движение на машината. Скачащите роботи могат да получат места, до които в момента достигат само летящи роботи.

Ползите биха били по-изразени и извън Земята: скачащите роботи могат да пътуват ефективно през луната или планетите, без да се справят с препятствия на повърхността, като същевременно имат достъп до функции и перспективи, които не могат да бъдат достигнати от роботи, базирани на терена.

„Изчислихме, че устройството трябва да може да се изчисти [410 feet] във височина при скачане на половин километър [a third of a mile] напред на Луната”, каза Хоукс, като посочи, че лунната гравитация е 1/6 от тази на Земята и че по принцип няма въздушно съпротивление. “Това би било един гигантски скок за проектирани скачачи.”

Биологичните системи отдавна служат като първите и най-добри модели за движение и това е особено вярно за скачането, определено от изследователите като „движение, създадено от сили, приложени към земята от скачача, като същевременно се поддържа постоянна маса“. Много инженерни джъмпери са се фокусирали върху дублирането на дизайните, предоставени от еволюцията, и с голям ефект.

Но елементите, които създават скок в биологичната система, могат да бъдат ограничаващи за проектираните системи, каза Чарлз Ксайо, доктор на науките. кандидат в лабораторията на Хоукс.

“Биологичните системи могат да скачат само с толкова енергия, колкото могат да произведат с един ход на мускула си”, каза Ксайо. Така системата е ограничена в количеството енергия, което може да даде за изтласкване на тялото от земята, а скачачът може да скача само толкова високо.

Но какво ще стане, ако имаше начин да се увеличи наличното количество енергия? За конструираните джъмпери има: Те са в състояние да използват двигатели, които тресчат или се въртят, за да извършват много удари, умножавайки количеството енергия, което могат да съхранят в пружината си. Изследователите нарекоха тази способност “умножение на работата”, която може да се намери в конструирани джъмпери с всякакви форми и размери.

„Тази разлика между производството на енергия в биологичните спрямо инженерните джъмпери означава, че и двете трябва да имат много различен дизайн, за да максимизират височината на скока“, каза Сяо. Животните трябва да имат малка пружина – достатъчно, за да съхранят относително малкото количество енергия, произведено от единичния им мускулен удар – и голяма мускулна маса. За разлика от тях, проектираните джъмпери трябва да имат възможно най-голяма пружина и малък двигател.”

Изследванията в това проучване също са проведени от Кристофър Кийли и Матю Р. Бегли от UCSB; Richard-Alexandre Peloquin и Morgan T. Pope at Дисни Изследвания и Гюнтер Нимайер от Caltech.

Тази история беше предоставена на Newsweek от Zenger News.