Miniaturní vrtulníky už jsou zastaralé, o jejich místo teď usilují mikroroboty, které se učí létat od hmyzu. Nebude to trvat dlouho a mechaničtí čmeláci se stanou nepostradatelnou pomůckou tajných služeb, armády i požárníků.
Hmyzí létání je po všech stránkách téměř dokonalé. V porovnání se šestinohou konkurencí vypadá většina ptáků ve vzduchu jako nemotorný výběhový model. Není se do divit, evoluce ptáků trvala o desítky milionů let kratší dobu a navíc musejí ve vzduchu manévrovat s tisícinásobnou hmotností.
Těžcí čmeláci, kteří svými drobnými křídly dokáží udržet ve vzduchu robustní tělo, dlouho pletli hlavu aerodynamikům a přesný mechanismus síly jejich způsobu letu byl odhalen teprve přede dvěma lety. Hmyz dokáže za letu prudce měnit směr nebo třeba „viset“ na místě, aniž by mu to činilo nějaké potíže. Proto se stal předlohou pro miniaturní létací roboty, kteří mají sloužit k průzkumu těžko dostupných míst, ke špionáží nebo třeba jen k měření obsahu různých látek ve vzduchu. U pokročilejších modelů se dokonce počítá s tím, že na jinak nedostupná místa dopraví různé drobné zásilky nebo mohou fungovat jako zbraň.
První mechaničtí brouci už za rok
Značně vylepšená obratnost „robobroukům“ například umožní proletět pootevřeným oknem do místnosti, kde nerušeně vyfotografují kompromitující materiály či natočí důležitou schůzku. Stejně tak mohou pomoci při zásahu proti teroristům držícím v místnosti rukojmí.
O mechanický hmyz mají pochopitelně velký zájem i vojáci. Americká armádní agentura DARPA v současnosti financuje vývoj 4 typů létajících minirobotů. Nejtěžší z nich váží pouhých 10 gramů a rozpětí jeho křídel činí 7,5 cm. První funkční prototypy by měly být předvedeny již v polovině příštího roku. „Tihle mikroroboti jsou pořádná výzva,“ tvrdí Ronald Fearing z Kalifornské univerzity v Berkeley. „Není zapotřebí je jen naučit mechanicky létat jako hmyz, musejí umět i jako hmyz vnímat okolní prostředí, aby udrželi rovnováhu a mohli bezpečně přistát.“ Do drobného robota se tedy musejí naskládat i senzory pro vnímání tlaku, teploty, vlhkosti a chemického složení vzduchu. „Jak ve vývoji křídel a pohonného mechanismu, tak ve fungování senzorů už jsme skoro u cíle,“ dodává Ronald Fearind.
Hmyzí recept
Nejdůležitějším úkolem je, aby křídla vyvíjela co největší vztlak. Hmyz toho dociluje tak, že co nejrychleji mává křídly dopředu a dolů a při pohybu nahoru je natočí okrajem proti pohybu.
Právě takový typ pohybu předvedl na konferenci Společnosti pro experimentální biologii v Glasgow (Velká Británie) kovový „brouk“ vyvinutý týmem Andrewa Conna z Bristolské univerzity. Pohyb zajišťují dvě motorem poháněné hliníkové páčky. Jedna mává křídly, druhá se stará o jejich natáčení. „Oproti dřívějším modelům miniaturních helikoptér, je tento systém pružnější a zajišťuje strojku lepší obratnost,“ popisuje výhody Andrew Conn.
Jeho výtvor však v žádném případě ještě není dokonalý. S rychlostí mávání křídly se zatím se svými hmyzími vzory nemůže rovnat a létání brání i vysoká hmotnost. „Budeme muset minimálně o polovinu snížit jeho hmotnost a ještě o třetinu zvýšit vztlak generovaný křídly,“ přiznává Conn.
Na mávání s vibrací
Potíže s rychlostí mávání křídly nijak nepřekvapily entomology z Kalifornského technologického institutu v Pasadeně, pro které je dynamika včelího letu denním chlebem. „Snažit se napodobit hmyzí víření křídly za pomoci tak složitého mechanismu, je pravděpodobně jen plýtvání časem a energií,“ staví se k problému značně skepticky. „Hmyz na to už přišel dávno. Proto namísto přímého ovládání křídel svými svaly jen rozkmitají pružnou hruď, a tyto vibrace pak pohybují křídly.“
S tímto vědomím vyvíjí svého mechanického čmeláka Fearing. Jeho robot s hmotností pouhé jedné desetiny gramu má sestávat z dvoucentimetrové pružné „hrudi“ z uhlíkových vláken, na kterou jsou na pohyblivých závěsech připojena křídla z polyesteru a uhlíkových vláken. Rychlé vibrace hrudi bude zajišťovat piezoelektrický oscilátor (krystal, který střídavé napětí převádí na mechanickou energii oscilace). Ještě donedávna měl Fearingův robočmelák létat podobně jako mouchy. Jenže jejich způsob mávání křídel mu dokázal zajistit pouze to, že se strojek udržel ve vzduchu. Stačilo to navíc jen pro „nahého“ robota, na senzory, zdroj energie a další vybavení už bylo muší mávání křídly krátké.
Jak to vidí čmelák
Proto Fearing začal pokukovat po šikovnějších včelách a čmelácích, jejichž technologické tajemství letu bylo odhaleno teprve koncem roku 2005. Zvýšil frekvenci mávání ze 170 na 275 mávnutí za sekundu a zmenšil úhel natočení křídel při „nepracovním“ pohybu vzhůru ze 70 na 60 stupňů. Dosáhl tím trojnásobného vztlaku, který už dokáže udržet ve vzduchu i mechanického čmeláka v plné polní.
Dostatečná síla vztlaku však u robohmyzu představuje jen polovinu problému. Mechanické čmeláky je také zapotřebí ve 3D prostoru přesně ovládat a musejí být i schopni se pohybovat autonomně, tedy na základě informací, které si sami posbírají z okolního prostředí. Hmyz se v prostoru orientuje za pomoci „monitorování“ okolních povrchů (většinou na zemi), které během letu míjí. Tento tok optických dat mu pak slouží jako měřítko pro rychlost a výšku letu, tedy parametry nezbytné pro bezpečné přistání, vyhýbání se překážkám a celkovou navigaci. Pokud například k žádnému optickému toku nedochází, brouk dojde k závěru, že se vznáší na místě. Když si je jistý, že letí stále stejnou rychlostí, a přesto se zmenšuje množství zaznamenaných zrakových vjemů, je to pro něj znamení, že nabírá výšku.
Krůček od dokončení
„Chceme stejnému způsobu orientace v prostoru naučit i naše roboty,“ říká Fearing. „Máme pro ně nachystané širokoúhlé čočky, které umístíme nad fotosenzitivní čipy. Ty pak údaje o toku optických dat posílají přímo do čipů, které slouží jako mozek celého mechanického brouka.“ Podobný systém pro své miniaturní autonomní letadlo už používá Švýcarský federální technologický institut a zdá se, že je spokojen. „Naše letadlo se umí samo vyhýbat překážkám, prolétat dveřmi a měnit směr na základě úplně stejných podnětů, jakými se řídí hmyz,“ vysvětluje letecký odborník Dario Floreano. Fearing v jeho úspěchu vidí značnou naději pro dokončení svého projektu. „Už jsme od funkčního brouka jen kousek. Do několika měsíců máme první prototyp a do pár let bude mechanický hmyz naprostou běžnou záležitostí.“
Můra v aerodynamickém tunelu
Způsob, jakým se hmyz dostává do vzduchu, nebyl vědcům znám až do druhé poloviny 90. let minulého století. Hmyz nějakým způsobem vytvářel trojnásobně větší vztlak, než by podle dostupných znalostí měl. Nakonec se v roce 1996 Charles Ellington, zoolog z britské Cambridgské univerzity, rozhodl strčit můru s deseticentimetrovými křídly do aerodynamického tunelu a natočit s ní video s vysokou rychlostí snímkování. Na zviditelnění proudů vzduchu, které se vytvářejí ze pohybujícími se křídly, použil částečky kouře. Přišel na to, že natáčení křídel nemá účel pouze ve snížení odporu při nepracovním pohybu, ale je tu ještě jeden mnohem důležitější aspekt. Můra svými křídly mává tak šikovně, že se nad nimi vytvářejí víry, jež se pohybují podél jejich okrajů. Ellingtona tyto víry zaujaly natolik, že si sestrojil desetkrát zvětšený mechanický model, aby jej mohl zavřít do tunelu a natáčet další zajímavá videa. Přišel na to, že máchnutí směrem dolů vytvoří nad křídly vzdušnou „kapsu“, která ve spolupráci s víry zvyšuje výsledný vztlak až o polovinu.
Tajemství čmeláků
O čmelácích experti dlouho tvrdili, že jejich let odporuje aerodynamickým zákonům. Drobná křidélka podle všech uznávaných zvyklostí nemohla těžkého čmeláka ve vzduchu udržet, natož jej tam dostat. Dokonce ani poznatky o létání motýlů z 90. let „protizákonné“ schopnosti čmeláků nijak nevysvětlovaly. Dalo se tedy očekávat, že v aerodynamickém tunelu jednou pod dohledem kamery skončí i oni. Stalo se tak na konci roku 2005 v kalifornské Pasadeně a odhalení tajemství čmeláčího letu si vyžádalo natáčení rychlostí 6000 snímků za vteřinu (lidské oko dokáže rozlišit maximálně kolem 24 snímků za vteřinu, proto se také běžné filmy natáčejí při této frekvenci). Těžcí opylovači létají jinak než můry. Křídlem dozadu máchnou v úhlu 90 stupňů a zpět je vracejí ve vodorovné poloze, přičemž to stihnou to 230x za vteřinu. Tento způsob neposkytuje zdroj podtlaku nad křídlem v podobě vzdušné kapsy jako u motýlů, ale vytváří velké množství vírů. Ty na jedné straně zvyšují vztlak, na straně druhé vytvářejí vlnu, po které se křídlo při pracovním pohybu sveze a čmelákovi tak šetří energii.
