Robovčela – budoucnost opylování?

K tomuto textu mě inspiroval článek v britském deníku The Telegraph uveřejněný 9. října loňského roku. Jeho titulek zní: „Why tiny flying robots could be the answer to Europe’s bee crisis“, tedy „Proč by odpovědí na krizi včel v Evropě mohli být drobní létající roboti“. Průvodní video je popsáno textem: „Drobný dron, který by mohl nahradit včely“. Jde o jednu z reakcí na projekt DelFly, respektive na článek o tomto projektu v prestižním časopisu Science, který byl uveřejněn v září 2018 a obrázek dronu se dostal dokonce na titulní stranu.

Projekt DelFly je pro našince zajímavý tím více, že hlavním konstruktérem je Matěj Karásek, český vědec působící na Technické univerzitě v nizozemském Delftu. V tamní laboratoři MAVLab létající roboti vznikají. Článek vyvolal mnoho reakcí i v našich médiích.

DelFly je dron, který je svým způsobem unikátní. Od běžných dronů, jak je známe, se liší tím, že nepoužívá klasické konstrukce, ale konstrukci inspirovanou přírodou – mávající křídla. Není to sice první pokus o funkční stroj takového typu, ale jde o první zcela nezávislý dron. Dokáže se pohybovat autonomně po naprogramované dráze a vše potřebné má „na palubě“. Umí se pohybovat všemi směry a vznášet se na místě. Není pasivně stabilní, nemá ocas. Má dva páry křídel, které využívají efektu „clap and fling“, zvýšení vztlaku při vzájemném kontaktu křídel (k podrobnostem se ještě vrátíme, viz také video 1). Má rozpětí 33 cm a hmotnost 28,2 g. Křídly mává s frekvencí 17 Hz. Na jedno nabití může letět asi 5 minut, překoná vzdálenost až 1 km.


Video 1 – Vysokorychlostní video vznášení dronu. Model není pasivně stabilní, stabilitu udržuje autopilot

Ačkoliv to nebylo prvotním záměrem, zmíněný The Telegraph, ale i jiná média propadla optimistickému nadšení a jala se DelFly označit jako možnou náhradu včel při opylování. Podobné myšlence podlehli i samotní autoři jiné práce, která se tentokrát věnovala samotnému mechanismu přenosu pylu. Jako nadějné se v této oblasti ukázaly tzv. ILG (ionic liquid gels, iontové kapalné gely) s výbornými adsorpčními schopnostmi. Pokusně byly tyto gely nanášeny na plátky hmyzích kutikul s chloupky a umisťovány na drony. Tyto ochlupené drony potom pokusně zkoušely opylovat lilie Lilium japonicum. Šlo spíše o demonstraci, která byla použitelné realizaci na hony vzdálena, neboť dron na květy spíše pořádal nálety, než aby prováděl precizní opylovací práci. Pokud k opylení došlo, tak jen díky tomu, že tento druh lilie má prašníky velké, dobře přístupné a květy samozřejmě samosprašné.

Jako pokus by to bylo jistě zajímavé, kdyby ovšem nebyl doplněn texty: „Tato technologie může vést k vývoji inovativního umělého opylovatele, který by byl odpovědí na globální krizi opylovatelů,“ dále „Zejména by to mělo vést k vývoji robotických opylovatelů a pomoci překonat problémy související s poklesem včelích populací. Věříme, že robotičtí opylovatelé se budou inteligentně pohybovat a učit se optimální trasy pomocí GPS a umělé inteligence.“ Zkusme si v dalším textu zhodnotit skutečnou situaci, možnosti technické realizace umělého opylování a posoudit, zda by „robotické včely“ mohly být cestou do budoucna.

Co by měla umět robovčela


Návrhy létajících strojů s mávajícími křídly se zabýval již Leonardo da Vinci

UAV neboli drony jsou dnes fenoménem. Ještě před dvaceti lety byly využívány téměř výhradně pro armádní účely, dnes je lze koupit za několik tisíc korun i levněji. Mikrodrony, neboli MAV, které by se velikostí více přibližovaly hmyzu, jsou konstrukčně náročnější, ale nabízejí několik výhod. Jednou z nich je, že v případě havárie způsobí podstatně menší škodu než velké drony.

Využití dronů je široké, ale převažují účely průzkumné a mapovací. K tomu jsou většinou vybaveny kamerou, je ale možné používat i další čidla, například chemická či radiační. Kromě vojenských a záchranářských účelů vzrůstá využití civilní, od geografického mapování, až po marketingové a hobby účely. Mohly by však být využity pro umělé opylování rostlin?

Tato otázka úzce souvisí s jejich manévrovací schopností, která se zase odvíjí od základní konstrukce. Ta je v zásadě trojí:

  • drony s pevnými křídly, v podstatě malá bezpilotní letadla. Jejich manévrovací schopnost je nejmenší, protože k zachování vztlaku vyžadují určitou minimální rychlost letu. Hodí se tedy spíše na dlouhé lety, kde se využije jejich hlavní výhoda, energetická výhodnost
  • drony vrtulové, dnes nejčastěji konstruované jako kvadrokoptéry. Mají mnohem lepší manévrovací schopnosti, například se mohou vznášet na místě, nicméně jejich doba letu je omezená
  • ve stádiu výzkumu a prototypů jsou drony s mávajícími křídly, inspirované hmyzem a ptáky. Ti výše zmíněné kategorie dronů převyšují energeticky úsporným letem s excelentními manévrovacími schopnostmi, je to tedy jakýsi etalon létání. Pokud bychom tedy uvažovali o robovčele, výzkum by měl jít tímto směrem, včetně maximální miniaturizace

Konstrukce není nic snadného

Zdárná konstrukce autonomního dronu s mávajícími křídly vyžaduje precizní řešení těchto oblastí:

  • Zdroje energie
    V současné době Achillova pata konstrukce. Baterie nemají dosud dostatečnou energetickou hustotu, tj. poměr uchované energie ku hmotnosti, aby pro účely miniaturního UAV dodávala energii na smysluplnou dobu či vzdálenost letu. Nicméně situace se zlepšuje, vývoj baterií poháněný rozvojem mobilních telefonů a elektromobilů dosáhl již slušných výsledků v podobě Lithium-ion (Li-ion) či Lithium-ion polymer (Li-Pol) baterií. V budoucnosti můžeme očekávat další zlepšení
  • Pohonu
    Součástky, které převádějí energii na pohyb se obecně nazývají aktuátory. Ze škály možností přicházejí pro drony v úvahu stejnosměrné (DC) motory či piezoelektrické oscilátory. Pokud se s miniaturizací dostaneme na úroveň centimetrů, DC motory už přestávají být použitelné. Pro řád milimetrů by začaly být zajímavé aktuátory vyrobené technologií MEMS (mikroelektromechanické systémy), to je však spíše hudba budoucnosti. Aktuátory jsou připojené přímo na křídla (jako to má vývojově starší hmyz), nebo tvoří rezonanční „hrudník“ (jako třeba včely), který umožňuje velkou amplitudu mávání křídel s nízkými energetickými nároky
  • Konstrukce křídel a jejich pohybu
    Mávající křídla i mechanismy řízení směru pohybu jsou volně inspirované hmyzem a ptáky, nekopírují je však do detailů. Například dron DelFly má dva páry křídel, nikoliv ovšem po vzoru včel (pohybují se samostatně), vážek (fungují v párech), ani ptáků (křídla jsou čtyři), ale z každého si vybírají něco
  • Čidla pro zajištění stability a funkci
    Pokud není konstrukce dronu pasivně stabilní, je třeba polohu neustále korigovat zpětnovazebním mechanismem. U včel jako čidla zajišťující potřebné informace slouží oči a tzv. chordotonální čidla, zejména Johnstonův orgán v tykadlech. Mouchy k tomuto účelu používají kyvadélka – přeměněný zadní pár křídel. Podobné informace o poloze a pohybu musí získávat i dron, aby mohl provádět potřebné korekce. Kamery a další čidla, například chemická, pak mohou sloužit pro plnění funkcí dronu
  • Řídící jednotka
    Robovčela musí být autonomní, tj. měla by obsahovat řídící jednotku pro řízení letu, vyhledávání cílů, samotnou opylovací práci, sledování stavu baterie, detekci poruch, vyhýbání se překážkám a nebezpečím a další. Příkladem může být úhybný manévr mouchy, když ji chceme zaplácnout. Ten má několik fází a rozhodně není tak jednoduchý napodobit, jak by se mohlo zdát

Co se zatím povedlo

Pokusů o sestrojení dronů s mávajícími křídly byla již celá řada. Inspirovaly se různými skupinami živočichů, od hmyzu (moucha, brouk), přes ptáky (kolibřík), až po netopýry. Jeden z velmi zajímavých projektů se nazývá Harvardská robomoucha. Vyniká především stupněm miniaturizace, rozpětí křídel má pouze 3 cm, hmotnost 80 mg a frekvenci křídel 120 Hz. Má jeden pár křídel, pohon je zajištěn piezo-akutátory a zdroj energie leží mimo vlastní dron, neboť baterie, kterou by byla robomoucha schopna unést, by umožňovala pouze velmi krátkou dobu letu.


Video 2 - Harvard Microrobotics Lab - Testy letu robomouchy

Harvardská robomoucha

Harvardská robomoucha vyniká svou miniaturizací. Proto bylo třeba zvolit nekonvenční postupy výroby, konstrukce pohyblivých částí a pohonu. Jako vzor posloužila pestřenka. Konstrukce se dvěma křídly je sice jednodušší, zato přináší velké výzvy, neboť mouchy patří mezi nejlepší letecké akrobaty. Nedělá jim problém hbitě uniknout před lidskou rukou ani přistání na větrem zmítané rostlině.

Pohyb křídel robomouchy je relativně jednoduchý. Aktivně se pohybují pouze předozadně, pasivně se rovina křídel naklání v závislosti na frekvenci mávání. Tato frekvence dosahuje 120 Hz, amplituda rozkmitu až 110°. Tyto parametry jsou téměř shodné se skutečnou mouchou podobné hmotnosti.

Velikost robomouchy je na pomezí klasických konstrukčních postupů a MEMS (mikroelektromechanické systémy), takže se k její výrobě příliš nehodí ani jedna z obou technologií. Proto autoři vyvinuli vlastní konstrukční princip, který nazvali SCM (chytré kompozitní mikrostruktury). Jde o vrstvenou strukturu z lamel vyřezaných laserem a spojených laminováním. Laser umožňuje vyrobit detaily až do velikosti 5 µm, laminování umožňuje kombinovat materiály. Kostra byla vyrobena z vysokopevnostních karbonových vláknitých kompozit, nízké tření kloubů je zajištěno polyimidovým filmem.

K pohonu nelze v takovémto měřítku použít klasické elektromagnetické motory, konstruktéři tedy zvolili piezoelektrické keramické „svaly“, které při přivedení elektrického napětí mění vnitřní pnutí. Pomocí dvojice materiálů (na principu bimetalu) a periodickou změnou napětí je vyvolán vibrační pohyb, který se přes klouby přenáší na křídla. Každé křídlo se pohybuje nezávisle. Pro dosažení volného pohybu je třeba zajistit možnost otáčení robomouchy ve třech osách (k tématu se ještě vrátíme později):

Řízení letu

  • vybočení (yaw) lze dosáhnout asymetrickým tahem křídel, pokud možno beze změny vztlaku. Robomoucha to řeší různými rychlostmi pohybu křídla směrem vpřed a směrem vzad. Pokud se křídlo pohybuje rychleji vzad, tah roste, zrychlením pohybu vpřed naopak klesá. Různým nastavením tahu na levém a pravém křídle se tedy dron otáčí kolem svislé osy doleva nebo doprava. Tento princip se neshoduje se způsobem vybočení hmyzu. Ten nemění rychlost pohybu křídel, ale natáčí rovinu obou křídel do opačných směrů, čímž dosáhne stejného účinku
  • klonění (pitch) řeší dron stejně jako živý hmyz. Změnou středního úhlu rozkmitu křídel vpřed nebo vzad se vektor vztlaku přenáší před nebo za hmotu robomouchy a tím ji naklání opačným směrem
  • klopení (roll). V tomto případě je třeba změnit vztlak, pokud možno při zachování tahu. Lze toho dosáhnout změnou amplitudy pohybu křídel, což opět činí robomoucha shodně s hmyzem Celková hmotnost robomouchy je 80 mg a rozpětí křídel činí 3 cm. Naměřený příkon 19 mW se blíží živým mouchám. Zřejmou nedokonalostí je zdroj energie umístěný mimo dron a připojený pomocí drátu. V opačném případě by současný typ baterií vydržel pouze na několik minut letu. Systém není pasivně stabilní, polohu je třeba korigovat pomocí informací ze senzorů a řídícího programu. To bylo opět implementováno mimo vlastní dron pomocí kamer, které pohyb snímaly a odpovídající řídící signály byly převáděny do dronu drátem.

Robomoucha se dokáže vznášet na místě, pohybovat se všemi směry a provádět rychlé změny směru pohybu. Vývoj miniaturizace baterií, senzorů a řídících okruhů slibuje do budoucna možnost plně autonomní robomouchy.


Video 3 - Rychlá akcelerace zaznamenaná vyskorychlostní kamerou (240 fps). Manévr probíhá ze stacionárního stavu do pohybu vpřed pomocí klonění vpřed. Video zobrazuje tentýž pohyb 3x: dvakrát v reálném čase a jednou 16x zpomalený

DelFly Nimble

Popišme si podrobněji i projekt DelFly. Dron byl vytvořen se záměrem odstranit nedostatky, kterými trpěly předchozí pokusy o sestavení dronů s mávajícími křídly. DelFly je zejména soběstačný, zdroj energie i řídící jednotku si nese s sebou. Je schopen autonomního nepilotovaného letu. Stejně jako jiné modely, i DelFly je inspirován letci z přírody. Způsob letu nelze jednoznačně zařadit mezi hmyz ani ptáky, inspiraci si bere z obou skupin. Je schopen vznášet se na místě, dokáže rychle letět i velmi svižně manévrovat. Není pasivně stabilní, nemá ocas a jeho stabilita je řízena zpětnovazebným mechanismem z čidel přes řídící jednotku až do korektivních změn pohybu křídel. Sestava čidel (gyroskop a akcelerometr) a řídící jednotky váží 2,8 g.

DelFly má dva páry křídel, obě dvojice se pohybují vzájemně v protifázi (když se křídla na jedné straně setkávají, na druhé straně jsou maximálně odtažená) a využívají zmíněného efektu „clap and fling“, který si ještě popíšeme později. Velikost byla zvolena z konstrukčních důvodů, aby byla energeticky efektivní při využití dostupných technologií (DC motoru, baterie). Rozpětí křídel činí 33 cm, frekvence mávání je 17 Hz. Na jedno nabití baterie se vydrží vz

Pohyby v jednotlivých osách vypadají takto:nášet 5 minut, případně je schopen uletět asi 1 km.

Řízení letu

  • k vybočení (yaw) je třeba dosáhnout rozdílného tahu na každé straně. DelFly se inspiroval hmyzem, natáčí rovinu obou křídel do opačných směrů, čímž dosáhne rozdílů v tahu při zachování vztlaku
  • klonění (pitch) provádí DelFly stejně jako živý hmyz. Změnou středního úhlu rozkmitu křídel vpřed nebo vzad se vektor vztlaku přenáší před nebo za těžiště dronu a tím ji odklání opačným směrem
  • pro klopení (roll) potřebuje dron získat na každé straně různý vztlak. Na rozdíl od hmyzu, který manévr provádí změnou amplitudy, DelFly mění frekvenci kmitání. To si sice vyžaduje korekci tahu (opačným vybočením), nicméně řešení je vzhledem ke zvolené konstrukci vhodnější DelFly dosahuje rychlosti až 25 km/h, nejúspornější je však při rychlosti 11 km/h. Má rovněž pozoruhodné akrobatické schopnosti, které lze dosáhnout právě jen s mávajícími křídly. Dokáže provést předozadní i boční otočku o 360° a díky schopnosti rychlého zvýšení vztlaku umí prudce vystoupat vzhůru (i když v tomto ohledu ho hmyz dosud předčí).

Vztah konstruktérů dronů ke hmyzu je oboustranný: Při konstrukci se inspirují jejich rozměry, plochou a geometrií křídel, způsobem řízení stability a letu i energetickou účinností. Na druhou stranu konstrukce a pokusy s drony nám pomáhají pochopit některé detaily, které lze na živých organismech jen těžko studovat. Pokusy s DelFly pomohly například pochopit způsob pasivní korekce polohy při rychlých únikových manévrech.

DelFly Nimble (vlevo) provádí rychlé obraty, které jsou blízké únikovým manévrům octomilek (vpravo)

Abychom laskavého čtenáře neunavili, pokračování si necháme na příště. První z následných textů věnujeme pozadí celého problému: Úbytku hmyzu, jeho příčinám a scénářům dalšího vývoje. A konečně se odpovíme si na otázku v názvu článku, zda robovčely mohou být budoucností opylování.

Robovčela – budoucnost opylování? Část druhá: Odhmyzená planeta

Třetí text je určený čtenářům, které problematika dronů zaujala natolik, že by chtěli proniknout hlouběji do tajů létání hmyzu, ptáků a dalších tvorů, ale i lidských výtvorů, které se tento let snaží napodobit.

Robovčela – budoucnost opylování? Část třetí: Jak létají

6 komentářů

  1. Honza Reagovat

    Děkuji za článek, nějak pořád nechápu (a to jsem technik a přiživuji se na nových technologiích) proč se lidé snaží nahrazovat úžasně dobře fungující systémy (navíc udržitelné) něčím co je nesrovnatelně hloupější, plné jedů, neobnovitelné a nikdy nebude fungovat v rámci celku tak dobře, jako včely…
    Má to snad jedinou výhodu – jde to naprogramovat podle naší „libosti“..
    Myslím, že pokora a obdiv nad živým, co nás obklopuje, rychle ustupuje před našimi „libostmi“, a tož když něco pokazíme (například požíváním POR), zase to nějak podobně hezky „napravujeme“

    Nechci se dožít toho, až mi ve sklenici moštu přistane „robovčela“ s poruchaným senzorem čichu a vylouhuje tam svou Li-On baterii..

    Pokud se toho ale dožiju, asi založím odboj 😉 a budeme přeprogramovávat robovčely za letu na něco užitečnějšího – pokud nás tedy někdo nepředběhne s podobným nápadem, ale s cílem vytvořit něco nebezpečnějšího…

    Bee friendly

    • Michal Kabát Reagovat

      Souhlasím a mohu předem prozradit, že v pokračování dospěju ke stejnému závěru

  2. Tomáš Ivanský Reagovat

    Vnímám jinou dimenzi tohoto článku. Většina veřejnosti napájena populárně-vědeckými články žije v přesvědčení, že let čmeláka „odporuje fyzikálním zákonům“. V reálu jde o to, že většina lidí si ze základky resp. střední školy pamatuje pouze princip generování vztlaku na profilu křídla, který je dán různými rychlostmi obtékání profilu – viz. klasická aerodynamika. Jak čmeláci, tak včely využívají tento princip jen z části, přičemž vztlak je primárně vytvářen o něco složitěji než v klasické letecké aerodynamice. Bohužel o Magnusově efektu se neučí, a tudíž ani novináři o něm nepíší.

  3. Michal Kabát Reagovat

    Magnusův efekt jsme probírali, když nám fyzikář vysvětloval, jak to, že jde dát z rohu gól.
    Jinak podrobnějšímu popisu nelaminarního letu se bude věnovat samostatný příspěvek.

  4. Pingback: Robovčela - budoucnost opylování? Část druhá: Odhmyzená planeta? - Včelaři sobě

  5. Pingback: Robovčela - budoucnost opylování? Část třetí: Jak létají - Včelaři sobě

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *