Лазерный сантиметр: Дальномер лазерный Condtrol X2 plus с дальностью до 60 м

В новой работе группа физиков из Южной Кореи под руководством Чхан-хи Нам (Chang Hee Nam) смогла получить такую интенсивность с помощью петаваттного лазера, расположенного в Центре релятивистской лазерной науки Южной Кореи (CoReLS). Особенностью их работы было то, что они свели импульс от лазера в пятно диаметром 1,1 микрон.

Схема эксперимента. LD – лазерный диод, PBS – поляризационный светоделитель, HWP – полуволновая пластинка, EM – измеритель интенсивности, PM1-4 – плоские зеркала, DM1-2 – адаптивные зеркала, WFS1-2 – датчики Шака-Гартмана, OAP – внеосевое параболическое зеркало, OL – объектив, BS – светоделитель.

J. W. Yoon et al / Optica, 2021

Размер пятна критически важен для достижения большой интенсивности, поскольку последняя обратно пропорциональна площади пучка. Однако уменьшение пятна имеет границу, определяемую законами волновой оптики, которая называется дифракционным пределом. Целью авторов работы было достичь именно такого размера пятна.

Однако, для такой сложной схемы этого невозможно добиться с помощью традиционных оптических элементов. Поэтому физики добавили в установку два этапа контроля и коррекции волнового фронта. Первое делалось с помощью датчиков Шака-Гартмана, второе — с помощью адаптивных (деформируемых) зеркал. Финальная фокусировка проводилась с помощью внеосевого параболического зеркала для минимизации аберраций.

В результате физики смогли получить распределение интенсивности на детекторе, близкое к случаю идеальной фокусировки. Анализ погрешностей с помощью 80 последовательных импульсов показал, что причинами флуктуации интенсивности стали флуктуации волнового фронта, вызванные потоками воздуха на пути лазерного луча. В борьбе с ними авторы увидели дальнейший путь усовершенствования установки.

Распределение интенсивности сфокусированного света в пятне: (a) до и (b) после коррекции волнового фронта; (c) случай идеальной фокусировки, рассчитанный с помощью симуляции.

J. W. Yoon et al / Optica, 2021

В дальнейшем на собранной установке физики планируют исследовать разнообразные квантово-электродинамические явления, такие как рождение электрон-позитронных пар из вакуума и нелинейный эффект Комптона, а также изучить механизм ускорения заряженных частиц за счет давления света.

Современная физика немыслима без лазеров. Мы уже рассказывали, как с помощью них охлаждают антивещество и измеряют энергию переходов в релятивистских ионах.

От редактора

Новость была изменена: в ее первоначальном варианте говорилось о том, что физики свели 80 последовательных импульсов от лазера в одно пятно, хотя на самом деле столько импульсов требовалось для анализа флуктуаций волнового фронта.

Марат Хамадеев

Новый рекордный лазер поможет заглянуть в космос и вылечить рак

Физики создали лазерный луч невероятной интенсивности. Они как будто сфокусировали весь достигающий Земли солнечный свет в пятно, которое многократно меньше сечения человеческого волоса. Долгожданный рекорд сулит прорывы во многих областях, от фундаментальной физики до лечения рака.

Лазеры давно вошли в наш быт (вспомним, например, о лазерных указках или компакт-дисках) и стали верными помощниками на производстве. Вместе с тем лазеры остаются незаменимым научным инструментом. С их помощью можно манипулировать отдельными клетками, изучать антиматерию, воссоздавать условия планетарных недр и грандиозных космических взрывов, а также делать множество других интересных вещей.

Разумеется, простор для экспериментов с лазерным излучением ограничивается возможностями самих лазеров. Поэтому физики неустанно работают над тем, чтобы сделать эти излучател мощнее, быстрее или лучше ещё в каком-нибудь смысле.

Солнце на волоске

Один из важных параметров лазера – поток излучения, или, как его иногда называют, интенсивность. Это мощность излучения, падающая на единицу площади облучаемой поверхности. Именно по этому показателю был достигнут недавний рекорд.

Напомним, что мощность излучения, измеряемая в ваттах, – это энергия, выделяемая в единицу времени. Повысить мощность лазерного луча можно, либо взяв более впечатляющий источник энергии, либо испуская луч как можно более короткими импульсами, чтобы «упаковать» выделенную энергию в краткий миг.

Наращивать энергопотребление установки – сложная задача. Никто не будет строить Братскую ГЭС ради одного лазера, да и «переварить» гигантскую энергию не так просто. Именно поэтому рекордная мощность лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет «всего» несколько мегаватт. Зато за счёт сокращения продолжительности импульса до пико- или фемтосекунд можно увеличить мощность в одном импульсе до нескольких петаватт (10¹⁵, или тысяча триллионов, ватт).

Лазер в Центре релятивистских лазерных исследований Института фундаментальных наук в Республике Корея эксплуатируется с 2016 года. Он генерирует импульсы мощностью в четыре петаватта. По нынешним временам это уже не рекорд, но более мощные установки можно пересчитать по пальцам.

Учёные, работающие с этим инструментом, в течение нескольких лет трудились над системой максимально точной фокусировки излучения. В итоге они уменьшили диаметр луча с 28 сантиметров до одного микрометра (менее 2% от толщины человеческого волоса). Таким образом, теперь вся огромная мощность лазера приходится на участок мишени

В новом эксперименте лазер течение восьми секунд испустил 80 импульсов длительностью в несколько фемтосекунд (10^-15, или тысячная доля триллионной доли секунды) и мощностью в четыре петаватта. В среднем за эти восемь секунд на крошечный (порядка 10^-16 см²) облучаемый участок мишени пришлась мощность порядка 10 мегаватт. В пересчёте на квадратный сантиметр она составила 10²³ ватт. Другими словами, интенсивность излучения достигла 10²³ Вт/см².

Это вдесятеро больше предыдущего рекордного значения, достигнутого почти двадцать лет назад в США. Представить себе масштабы рекорда поможет такая аналогия: подобную интенсивность можно получить, если весь достигающий Земли солнечный свет сфокусировать в луч диаметром 10 микрометров.

Система корректировки луча направила всю мощность лазера на крошечное пятнышко.

Луч надежды

Эксперименты с лазерным излучением такой интенсивности могут обеспечить прорыв во многих областях, от фундаментальной физики до медицины.

Самый широкий простор открывается для физиков, исследующих взаимодействие света и вещества. Они наконец смогут экспериментально проверить многие идеи, высказанные теоретиками уже около века назад. До сих пор не было технической возможности проделать нужные опыты, а теперь она появилась.

Новое достижение заинтересует и астрономов. Они смогут проверить свои гипотезы о происхождении космических лучей высоких энергий – таинственных частиц, приходящих с просторов Вселенной. Споры об их природе ведутся уже многие десятилетия.

Как ни удивительно, достижение может подарить новую надежду больным раком. Дело в том, что в последнее время бурно развивается протонная лучевая терапия – облучение раковой опухоли ускоренными протонами. Сегодня для этого используются обычные ускорители частиц, а это очень дорогие установки. Возможно, что с помощью мощных лазеров будет куда проще получать ускоренные протоны. Их источники станут дешевле, а значит, лечение будет доступнее для пациентов. Эксперименты с лазером рекордной интенсивности могут проложить дорогу этой технологии.

Подробности исследования изложены в научной статье, опубликованной в журнале Optica.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Лазерный дальномер Xiaomi Duka LS-P

Перейдем к функциональным возможностям устройства. Данная модель имеет целых 8 режимов работы. Давайте более детально рассмотрим каждый из них.

1. Измерение длинны

Для измерения необходимо включить устройство одинарным нажатием. Нажимаем второй раз для активации лазерного указателя, прикладываем низ устройства к начальной точке. Лазерный указатель наводим на конечную точку, нажимаем еще раз для завершения измерения. На экране устройства отображается результат:

Единица измерения метр, с точностью до миллиметра. На экране отображается история трех последних измерений, более мелкими цифрами (но после выключения устройства эти данные теряются).

2. Измерение площади

Для переключения режима нажимаем боковую кнопку. На экране изменяется представление, единицы измерения м². Отличие от первого режима, необходимо произвести измерения два раза.

На экране отображается длина, ширина и искомая площадь. В процессе измерения на экране устройства отображается подсказка.

Еще раз переключаем режим. Теперь нам предстоит измерить длину, ширину и высоту. Единицы измерения м³.

На экране отобразится длина, ширина, высота и искомый объем, например помещения или прямоугольной емкости.

4. Измерение высоты объекта расположенного выше прибора измерения

Следующий режим позволяет измерить высоту объекта, который находится выше вас, для этого получаем расстояние до верхней и параллельной точки.

5. Измерение высоты объекта

Следующий режим позволяет измерить высоту объекта по трем точка. Для получения высоты измеряем расстояние до верхней точки, минимально возможное расстояние (по горизонтали) и расстояние до нижней точки.

Данный режим подойдет для вычисления высоты дома, столба и т.д.

6. Измерение высоты объекта расположенного ниже прибора измерения

Следующий режим аналогичен 4 режиму, только объект измерения находится ниже вас.

Соблюдайте последовательность действий. Измеряем расстояние до нижней точки, конечной точки и расстояние до объекта (на устройстве будет соответствующая индикация).

7. Режим измерения угла, одним нажатием

В этом режиме дальномер использует датчик наклона для определения угла наклона и по измеренной гипотенузе автоматически вычисляет катеты (ближайшее расстояние и высоту объекта).

8. Режим измерения в реальном времени

Для его активации нужно в режиме 1 зажать и удерживать центральную кнопку в течение 3 секунд.

Тут дальномер отображает расстояние до объекта в реальном времени и фиксирует максимальное и минимальное значение.

Если нужно произвести измерение без учета корпуса устройства, необходимо зажать кнопку на 4 секунды в режиме 1.

Более подробную инструкцию, а так же раздел с калибровкой дальномера LS-P можно найти в инструкции LS-P_RUS.

Липолитики от лишних сантиметров

Липолитики от лишних сантиметров. 

  Любая женщина пытается быть привлекательной. Для достижения подобной цели могут использоваться различные средства. Так, например, применения каких-либо лекарственных препаратов или усиленные физические нагрузки.
Липолитики средства разработаны для борьбы с локальными жировыми отложениями. С их помощью можно моделировать контуры лица и тела без изнурительных тренировок и изматывающих диет, без тяжелого хирургического вмешательства и сопутствующего тому утомительного периода восстановления. 

Действия липолитиков. 

И тот и другой вариант хорош по-своему, если, конечно же, не будет нанесено никакого существенного вреда вашему здоровью. Если подобрать подходящие вашему организму липолитические средства, то они способны ускорить процесс обмена веществ, что будет приводить к желанному снижению веса. Причем облагораживаться будут именно те зоны, которые в этом нуждаются, это бока, бедра, спина. Как правило, женщинами применяются липолитические коктейли. Для каждого отдельно взятого из них характерны свои свойства. Например, одни оказывают противовоспалительный эффект, другие противоотечное действие. 

Употребляя в пищу, подобные коктейли всегда происходят окислительно-восстановительные процессы. И именно сосуды каждого человека становятся менее подверженными возникновению каких-либо болей. 

  Эффекты от применения прямых липолитиков. 

  Локальное применение прямых липолитиков позволяет: 

    ✧ избавиться от возрастных изменений, восстановить овал лица; 

    ✧ устранить мешки (грыжи) под глазами, двойной подбородок; 

    ✧ справиться с провисанием, одутловатостью щек; 

    ✧ повысить тонус кожных покровов, вернуть им эластичность; 

    ✧ уменьшить объем рук, ног, живота, бедер, ягодиц; 

    ✧ ликвидировать жировые отложения в грудной и плечевой области;  

    ✧ повысить плотность мышечной ткани; 

    ✧ вывести токсины, нормализовать водный баланс в тканях; 

    ✧ снизить вес за счет вывода лишней жидкости и активного расщепления жиров; 

    ✧ устранить «апельсиновую корку». 

  Курс липолиза состоит, как правило, из 10–15 сеансов, проводимых с интервалом в 2–3 недели. Под действием прямых липолитиков слой жировой ткани уменьшается на 4–6 см. Конечный итог во многом зависит от возраста, типа кожи, изначального веса. На стойкость результата влияет образ жизни, который ведется после процедур. Если вы будете придерживаться правильного питания, достаточно двигаться, эффект от липолиза сохранится на долгие годы.

Липолитики оказывают мощное влияние на организм. Но, в зависимости от тех или иных его характерных особенностей важно знать, подходят ли они конкретному человеку. Они образуют нормальный клеточный обмен. Но, не забывайте, что любой липолитический коктейль обладает отдельными, только ему присущими свойствами. Итак, если вы все же решились, что хотите начать прием именно этих препаратов, то тщательно ознакомьтесь со всеми преимуществами и недостатками. 

  Ведь как любое лекарственное средство липолитики обладают и теми, и другими. Затем непременно изучите то действие, которое оказывает тот или иной липолитический коктейль, чтобы осознавать подходит ли он под ваши индивидуальные особенности. Да и для себя также немаловажно решить, какого эффекта вы желаете достичь. 

Невозможно с полной уверенностью сказать, что хорошо для отдельно взятого организма. Такой ответ можно получить, только если прийти к нашему специалисту лазерной клиники Луч на прием.

STABILA Messgeräte Gustav Ullrich GmbH (RU)

Ниже представлена краткая информация о принципе работы лазерных нивелиров STABILA и технических составляющих этих прецизионных устройств. Лазерные нивелиры произвели революцию в строительстве и смежных с ним отраслях. Компания STABILA разрабатывает и производит широкий ассортимент надежных высокоточных лазерных нивелиров, которые подходят для работы даже в самых суровых условиях на строительной площадке.

Всего этого удалось достичь благодаря неустанной работе технических специалистов и инженеров STABILA над новыми решениями старых проблем. Эти разработки позволяют сократить временные и трудовые затраты в ходе ежедневных измерений и сделать рабочий процесс приятнее. Наша цель — преодолевать трудности, применяя новые подходы и реализуя наше стремление к инновациям, чтобы в будущем вы могли еще проще, быстрее и эффективнее выполнять свою работу.

1. Обширный технический опыт в области производства и разработки оборудования.
2. Высокопроизводительная оптическая система, гарантирующая максимальную четкость лазерных линий.
3. Высококачественные, мощные и надежные лазерные диоды с долгим сроком службы.
4. Бесперебойная работа электронных компонентов.
5. В итоге это сочетание высококачественных компонентов определяет качество каждого отдельного лазерного нивелира STABILA.

Как прибор с приводом, так и маятниковый лазер имеют функцию самонивелирования после включения. Для этого их необходимо установить вручную в пределах допустимого отклонения от 3° до 5°, после чего выполняется точное самонивелирование. В заключение нивелир точно спроецирует лазерный луч в вертикальной и/или горизонтальной плоскости.

Перед покупкой лазерного нивелира сначала необходимо решить, где он будет использоваться — внутри помещения, на открытой местности или, возможно, в обоих случаях? Кроме места применения, важную роль играют точность и зона действия. Точность измеряется в миллиметрах на метр. Например, при измерении на расстоянии 10 метров с точностью 0,5 миллиметров на метр отклонение будет равно 5 миллиметрам. Общее правило гласит: чем больше дальность измерения, тем точнее должен быть лазерный нивелир.

1) 0–20 м — дальность видимости красной лазерной линии при использовании внутри помещений. Перенос значений высоты, выравнивание по одной линии (точечный, линейный и ротационный лазерные приборы)
2) 0–30 м — дальность видимости зеленой лазерной линии при использовании внутри помещений. Перенос значений высоты, выравнивание по одной линии (точечный, линейный и ротационный лазерные приборы)
3) 0–300 м — перенос значений высоты, определение угла наклона (ротационный лазерный прибор, линейный лазерный прибор с пульсирующими лазерными линиями). Работы с использованием ресивера внутри и вне помещений.

На круговой диаграмме лазерный нивелир находится в середине рабочей области. Расстояние между нивелиром и любой точкой на внешнем крае круга — это радиус. Величина рабочей области определяется диаметром круга.

Лазерный нивелир — это незаменимый вспомогательный инструмент для многих работ в строительстве. Как и в случае с другими инструментами, перед использованием нивелира необходимо ознакомиться с правилами эксплуатации и потенциальными источниками опасности. Избегайте прямого попадания лазерного луча в глаза! Чтобы избежать несчастных случаев, примите меры предосторожности и ознакомьтесь с техникой безопасности.

Нанометр — это единица длины, аналогичная метру или сантиметру, которая используется для измерения длины волны видимого света. Человеческий глаз воспринимает лишь небольшую часть волнового спектра — примерно от 400 до 700 нм. Цвет, который мы видим, определяется длиной волны. Доступные на рынке лазерные нивелиры являются, как правило, красными или зелеными. То, насколько хорошо видна лазерная линия, зависит от длины волны. Человеческий глаз воспринимает зеленый цвет лучше, чем скучный красный.

Почему зеленый лазер виден лучше, чем красный? Видимость разных цветов для человеческого глаза является неодинаковой. Средний диапазон видимого спектра длины волны (около 550 нм, светло-зеленый) воспринимается лучше всего. Поскольку зеленый цвет располагается именно в этом диапазоне, он виден лучше, чем красный, который находится у верхнего края спектра (630 нм). Благодаря этому видимость зеленого цвета для человеческого глаза в четыре раза выше, чем красного.

Лазерная сосудистая хирургия | Академия здоровья, г. Нижний Тагил

Метод проведения операций, который подразумевает удаление или прижигание поврежденных сосудов лазеров, называется лазерная сосудистая хирургия, или эндовазальная лазерная коагуляция (ЭВЛК). Последнее время данный способ применяется очень широко, так как окружающие место манипуляции ткани страдают минимально. Область применения лазерной сосудистой хирургии очень широка – от удаления таких эстетических недостатков как телеангиоэктизии, до операций при сложных случаях венозного расширения на ногах. В случае применения ЭВЛК не понадобится общий наркоз, и после амбулаторная реабилитация.

Лазерная хирургия сосудов: показания

На первые симптомы проблем с сосудами ног многие люди не обращают внимания. Тяжесть, отечность, судороги – эти проявления будущие пациенты сосудистого хирурга воспринимают как последствие сидячей работы, или наоборот, слишком активного образа жизни. Когда появляется сосудистая сеточка, явно выраженные расширения вен, язвочки и другие образования на ногах, а болезненные ощущения в икроножных мышцах заставляют останавливаться даже посреди улицы недуг заставляет обратиться на прием сосудистого хирурга.

Показания для проведения ЭВЛК:

• Приустьевое расширение БПВ не более 10 мм.
• Незначительное количество варикозно расширенных притоков.
• Ровный ход ствола БПВ (МПВ). Бывают ситуации, при которых магистральный ствол делает изгиб, который невозможно пройти эндовазально ни проводником, ни зондом, ни катетером. В данной ситуации можно ввести два световода ниже и выше изгиба. Тем не менее, во время предоперационного ангиосканирования следует оценить ситуацию и взвесить все «за» и «против» ЭВЛК в данном случае.
• Трофические расстройства голени..

Любое из этих нарушений очень опасно. Тромбофлибит – последствие, возникающее у 25% людей, страдающих варикозом, но он не так опасен, как еще одно осложнение – тромбоз. Сгустки крови, образующиеся в глубинных венах, легко отрываются, и перекрывают легочные артерии, а это летальный исход. Предупредить такие последствия можно только вовремя обратившись врачу.

Лазерная сосудистая хирургия в МЦ «Академия Здоровья»

Как только вы обнаружили у себя симптомы, указывающие на проблемы с сосудами, обратись к нашим специалистам. Если проблема уже требует вмешательства сосудистого хирурга, провести операцию можно на базе нашего центра.

Хирургические манипуляции проводятся только после приема у сосудистого хирурга нашего медицинского центра. В стоимость операции включено послеоперационное наблюдение. Запишитесь на прием на сайте или позвоните нам по телефону. Движенье – это жизнь, а здоровые ноги залог ее качества!

Электрогидродинамический двигатель, изготовленный на основе лазера, для сантиметровых воздушных роботов

Abstract

На сегодняшний день роботы-насекомые, способные к управляемому полету, использовали машущие крылья для создания подъемной силы, но для этого требуется сложный и подверженный сбоям механизм. Более простой альтернативой является электрогидродинамическая (ЭГД) тяга, которая не требует движущихся механических частей. В ЭГД коронный разряд генерирует поток ионов в электрическом поле между двумя электродами; Ионы с высокой скоростью передают свою кинетическую энергию нейтральным молекулам воздуха посредством столкновений, ускоряя газ и создавая тягу.Мы представляем процесс изготовления ЭГД-двигателя, основанный на лазерной микрообработке с длиной волны 355 нм, который потенциально позволяет выбрать больший выбор материалов, таких как композиты на основе волокна, чем это возможно при литографической обработке на основе полупроводников. Наше устройство с четырьмя двигателями имеет размеры 1,8 × 2,5 см и состоит из стальных излучателей и легкой сетки из углеродного волокна. Мы измерили электрический ток и тягу каждого двигателя нашей конструкции с четырьмя двигателями, что показало соответствие с соотношением Таунсенда.Пиковая тяга нашего устройства при 5,2 кВ была измерена в 3,03 раза больше его массы 37 мг (363,0 мкН) с использованием прецизионных весов. В свободном полете мы продемонстрировали отрыв на 4,6 кВ.

Образец цитирования: Хари Прасад Х.К., Вадди Р.С., Чуквад Ю.М., Дедич Э., Новоселов И., Фуллер С.Б. (2020) Электрогидродинамический двигатель, созданный на основе лазера, для воздушных роботов сантиметрового масштаба. PLoS ONE 15 (4): e0231362. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362

Редактор: Томмазо Ранзани, Бостонский университет, США

Поступила: 05.08.2019; Дата принятия: 21 марта 2020 г .; Опубликовано: 29 апреля 2020 г.

Авторские права: © 2020 Hari Prasad et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в рукописи.

Финансирование: Эта работа частично поддержана Управлением научных исследований ВВС США в рамках гранта No. FA9550-14-1-0398. Для этого исследования не было получено дополнительного внешнего финансирования.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Робототехника в масштабе насекомых была предметом интереса из-за ее возможного использования в сельском хозяйстве, поисково-спасательных операциях и биомедицине, а также в других областях. Небольшие размеры и удешевление производства роботов-насекомых облегчили исследования микроботов.На сегодняшний день основной упор в робототехнике в виде насекомых делается на то, чтобы черпать вдохновение из биологии, потому что биология нашла решения, существование которых доказывает, что они работают. Один из примеров — машущие крылья роботизированные насекомые [1]. Впоследствии в роботы этого типа были встроены бортовые датчики для стабилизации полета [2], и они впервые взлетели без использования проволочного троса, доходящего до земли с использованием источника лазерного питания [3], а затем и лампы накаливания [4]. Другие разработки включают использование взрывчатых веществ для разрушения поверхностного натяжения воды [5] и RoboFly, который способен выполнять мультимодальные движения, включая ходьбу [6], полет и межфазное движение воздух-вода [7].Хотя машущие крылья хорошо подходят для летательных аппаратов размером с насекомых, они требуют значительных затрат с точки зрения механической сложности [8]. В этой статье мы сосредоточимся на альтернативных способах создания тяги, которые не используются в биологии: электрогидродинамическая тяга (ЭГД). ЭГД-тяга требует постоянного высокого напряжения, что, возможно, поэтому не наблюдается в биологии. С инженерной точки зрения EHD обладает привлекательной характеристикой, так как не требует движущихся механических частей, что упрощает изготовление.Недавним достижением, указывающим на перспективность ЭГД тяги, стал самолет 2,5 кг с полностью ЭГД двигателем [9].

В работе [10] сообщается о демонстрации очень маленького самолета на базе EHD, «Ионокрафт» размером всего 3 см в диаметре и состоящего из четырех двигателей. Он смог взлететь с помощью внешнего источника питания. Сильная сторона этой работы заключалась в том, что низкая скорость истечения из низковольтных двигателей EHD хорошо сочеталась с небольшой массой этого устройства. Кроме того, EHD потенциально проще, чем полет с машущим крылом, потому что даже устройство с четырьмя двигателями состоит только из одной движущейся части.Однако устройство в [10] было изготовлено с использованием дорогостоящего оборудования для производства чистых помещений на основе полупроводников. Требуются значительные инженерные разработки, прежде чем небольшой робот с двигателем EHD сможет полностью автономно выполнять воздушное передвижение, что сделает его пригодным для полезного применения. Более быстрые и менее дорогие методы создания роботов с двигателем EHD могут способствовать сокращению времени итераций проектирования, что очень желательно, когда технологии все еще находятся в зачаточном состоянии.

В этой статье мы используем лазерную обработку для создания двигателей EHD для воздушных роботов сантиметрового размера.Этот процесс позволяет использовать большее разнообразие электродных материалов и устраняет необходимость в чистом помещении. Например, он позволяет за считанные минуты изготовить полное устройство с четырьмя подруливающими устройствами. Устройство с четырьмя двигателями, представленное в этой статье, как показано на рис. 1, создало тягу, превышающую его вес. Мы сообщаем о методологии изготовления и экспериментальных измерениях коронного тока, тяги и эффективности передачи энергии для каждого индивидуального двигателя четырехтактного двигателя.Наконец, мы представляем взлет нашего квадроцикла.

Рис. 1. Робот с четырьмя двигателями в сборе рядом с грохотом США. Показан четырехдвигательный двигатель размером 1,8 × 2,5 см, имеющий массу 37 мг.

Компоненты робота состоят из коллекторной решетки из углеродного волокна, четырех излучателей из закаленной синей стали и восьми стекловолоконных трубок. Все компоненты собираются вручную с использованием внешних приспособлений.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g001

Электрогидродинамика (EHD)

Электрогидродинамика (EHD) — это междисциплинарная область, описывающая взаимодействие жидкостей с электрическим полем.Понимание сложных мультифизических взаимодействий имеет важное значение для понимания потоков ЭГД: (1) генерация ионов; (2) движение иона в электрическом поле; (3) взаимодействие между движением ионов и нейтральных молекул; и (4) силы инерции и вязкости в сложном потоке.

Поток, управляемый коронным разрядом

Коронационный разряд создает поток ионов в сильном электрическом поле между двумя электродами; ионы с высокой скоростью передают свою кинетическую энергию нейтральным молекулам воздуха за счет столкновений, которые ускоряют газ в направлении дрейфа ионов.Это явление движения электрогидродинамического (EHD) потока, также называемое в литературе ионным ветром, используется во многих практических приложениях, таких как конвективное охлаждение [11, 12], электростатические фильтры (ESP) [13], плазменное сжигание [ 14], управления воздушным потоком [15, 16], а также в качестве турбулентных приводов пограничного слоя [17]. ЭГД-поток, индуцированный короной, напрямую преобразует электрическую энергию в кинетическую и не требует движущихся частей. Вольт-амперная зависимость при коронном разряде характеризует движение ионов между электродами.Это явление изучается с начала 20 века. Классическая зависимость была получена Таунсендом [18] в 1914 г. и подтверждена для конфигурации коаксиальной короны. Некоторые недавние исследования модифицируют квадратичную зависимость Таунсенда, чтобы лучше описать взаимосвязь для различных конфигураций электродов [19–22]. Обобщенная аналитическая модель зависимости напряжения от тока и напряжения от скорости для потока, управляемого ЭГД, была недавно описана [22]; аналитическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными в областях ускоряющегося течения (течение с преобладанием ЭГД).Аналитическое исследование было расширено для определения зависимости напряжения от тяги в плоских координатах с учетом и без учета вязких потерь и хорошо согласуется с экспериментами [23] и предыдущими работами [24, 25]. В предыдущих исследованиях сообщалось, что максимальная скорость для конфигурации электродов «острие-кольцо» была зафиксирована на уровне 9 м / с [26], а также оценивалось использование ионного ветра в двигательных установках [24].

Штутцер [27] представил первый экспериментальный и теоретический анализ сопротивления давления, создаваемого ионами, в котором он определил генерацию давления в широком диапазоне несущих сред.Предыдущая работа, выполненная Масуямой [25], определила достижимое соотношение тяги к мощности движителя EHD порядка 5-10 Н.кВт ^-1 . Было обнаружено, что отношение тяги к мощности зависит от расстояния между электродами и разности потенциалов между электродами. Аналогичные результаты наблюдались для ионного крафта с беспроводным источником питания на борту и мощностью передачи до 100 Вт на ионокраф при напряжениях до 12 кВ [28]. Двигательная установка EHD может использоваться для приведения в движение БПЛА; экспериментально измеренная максимальная плотность тяги 15 Н.m ⁻³ сообщалось недавно [29]. Дрю и др. показали, что более высокая плотность тяги может быть достигнута для роботов размером с насекомых [10, 30], а поток EHD может быть использован для управления полетом.

Электрогидродинамическая сила

Одномерная модель ЭГД-двигателя дает выражение в терминах тока, расстояния между анодом и катодом. Эффект пространственного заряда здесь не учитывается, однако он может быть существенным при высоких значениях напряженности электрического поля. Ток определяется интегрированием плотности заряда (1) где ρ _e — плотность заряда, μ — подвижность ионов в воздухе, E — электрическое поле.В данном исследовании предполагается, что подвижность ионов составляет μ = 2 × 10 ⁻⁴ м ² / В · с. Для анализа эффективности передачи энергии примите во внимание, что тяга равна кулоновской силе, действующей на объем жидкости между анодом и катодом. (2) где F — тяга, I — ионный ток, d — расстояние между электродами. Мощность коронного разряда может быть записана как в уравнении 3, а эффективность, которая определяется как F / P , определяется уравнением (4).(3) (4) где E — напряженность электрического поля, а В, — приложенное напряжение. Дрю и др. По отчету минимальный КПД в их конструкции должен составлять 2 мН / Вт. Анализ проливает свет на важность расстояния между электродами и приложенного напряжения. Уравнение 4 показывает, что для большего расстояния между электродами могут быть достигнуты более высокие значения эффективности, как наблюдали Гуан и др. [26]. Что касается конфигурации электродов, важно вернуться к отношениям Таунсенда [31] (5) где В _крит — начальное напряжение, а В — приложенное напряжение. C — постоянная, связанная с геометрией электродов [25]. Тяга может быть определена с помощью соотношения Таунсенда (6) В практической конструкции подруливающего устройства для достижения максимальной тяги постоянная C должна быть максимизирована, а V _крит должна быть минимизирована. Другие соображения включают эффекты области нелинейной ионизации, структуры вторичного потока, коэффициент блокировки катода, переход от тлеющего к проточному коронному разряду и, в конечном итоге, к искровому пробою.Полная оптимизация подруливающего устройства EHD выходит за рамки данной статьи.

Изготовление

Наш производственный процесс подчеркивает скорость и простоту за счет минимизации количества компонентов и времени изготовления.

В предыдущей работе для изготовления ЭГД-двигателя использовался процесс кремний-на-изоляторе [30]. Эмиттерный и коллекторный электроды были изготовлены из кремния с рисунком фотолитографической маски. После процесса глубокого реактивного ионного травления (DRIE) для абляции через пластину электроды еще раз травятся плавиковой кислотой (HF).В этой работе изолирующие стойки для отделения эмиттера от коллектора были изготовлены из капиллярных трубок из плавленого кварца с внешним диаметром 400 мкм. Соединения между трубкой и электродами были выполнены с помощью УФ-отверждаемой эпоксидной смолы. Силовые соединения выполняются с применением серебряной эпоксидной смолы. Для выравнивания сборки использовалось внешнее приспособление. Устройство состоит из 13 компонентов (8 капиллярных трубок, 4 эмиттера и 1 коллектор) по сравнению с последней описанной конструкцией «Ionocraft», состоящей из 41 компонента (включая компоненты датчика) [10].

Здесь мы используем лазерную микрообработку вместо кремния с литографическим рисунком. Наш лазер представляет собой твердотельный лазер с диодной накачкой (DPSS) с утроенной частотой Nd: Yag и длиной волны 355 нм (PhotoMachining, Inc., Массачусетс). Выходная мощность DPSS-лазера составляет 2 Вт, диаметр луча — 20 мкм, повторяемость положения — около 3 мкм. С помощью этой системы мы можем обработать как эмиттеры, так и коллекторы примерно за десять минут. Предлагаемая нами методика включает в себя обработку с использованием следующих этапов:

1. Прокладка из синей закаленной стали и лист из углеродного волокна обрабатываются лазером с элементами эмиттера и решетки соответственно с использованием лазера DPSS.Соответствующие им чертежи в САПР и фактически обработанные детали показаны на рис. 2 (a), 2 (b), 2 (e) и (2g) соответственно.
Приспособление
2. Jig-1 (удерживающее приспособление) и приспособление-2 (установочное приспособление для определения расстояния) (рис. 2 (c) и 2 (f), соответственно) изготавливаются из листа акрила с использованием стандартного лазерного резака CO ₂ .
3. Полюса, изготовленные из стекловолоконных трубок с внутренним диаметром 250 мкм и внешним диаметром 350 мкм, используются для поддержания равномерного зазора между электродами. Один из полюсов показан на рис. 2 (d).

Рис. 2. Отдельные компоненты четырёхдвигательного подруливающего устройства.

Вид сверху: (а) чертеж эмиттера, (б) чертеж коллекторной решетки четырехдвигательного двигателя. (c) Удерживающее приспособление, используемое для размещения восьми стекловолоконных оптоволокон, показанных на (d), а также для удержания решетки в плоскости, перпендикулярной полюсам. (d) Один из восьми полюсов, необходимых для сборки. (e) Один из четырех излучателей, используемых в устройстве. (f) Разносчик, используемый для удержания излучателей на одинаковом расстоянии от сетки.(g) Коллекторная сетка с четырьмя двигателями.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g002

Анализ конструкции

В этом разделе мы обсуждаем различные параметры, используемые при проектировании и сборке подруливающего устройства. Мы рассмотрим проектные соображения, чтобы оптимизировать создаваемую тягу при выборе значений для этих параметров.

Излучатель

Материал эмиттера (коронирующего электрода) должен быть жестким, проводящим и иметь элементы высокой кривизны (точки).Анализ конструкции эмиттерного электрода включал материал, кривизну, количество наконечников эмиттера и ориентацию.

Первоначально использованный материал был нержавеющей сталью 50 мкм, но был заменен на нержавеющую сталь закаленной в синий цвет 100 мкм, поскольку это был более жесткий и более прочный материал. Мы исследовали различные углы при вершине, начиная с 30 °, затем уменьшали до 10 °, а затем до 5 °. Меньший радиус кривизны наконечника эмиттера создает более сильный градиент электрического поля и более высокую концентрацию ионов.Из-за ограничений на диаметр лазерного луча, используемого для изготовления эмиттера, и локального нагрева из-за луча, мы обнаружили, что 5 ° — это самый острый наконечник, который машина могла изготовить.

Число наконечников эмиттера соответствовало числу локализаций электрического поля для возникновения коронного разряда. Мы изучили разное количество подсказок. В каждом случае подруливающее устройство показывало одинаковые значения тяги, поэтому мы остановились на восьми наконечниках. Последним оцениваемым фактором была ориентация наконечника эмиттера.Конструкция эмиттера в базовой итерации имела наконечники электродов в плоскости, параллельной коллекторной сетке. В этом случае использовались ионы, имеющие начальную составляющую скорости в горизонтальном направлении, что привело к потере кинетической энергии, чего можно было избежать, направив наконечники прямо на решетку.

Коллектор

Коллектор — самый тяжелый из всех компонентов подруливающего устройства. Он должен иметь низкий коэффициент блокировки, чтобы молекулы воздуха, вызывающие тягу, могли проходить через него, оставаясь при этом жесткими.Мы исследовали различный шаг сетки и толщину материала.

Мы начали с коллекторной сетки с шагом 150 мкм между отметками сетки, сделанной из доступной нержавеющей стали толщиной 50 мкм. Из-за проблем с весом и изгибом решетки из нержавеющей стали из-за деформации других компонентов мы перешли на однонаправленный композит, армированный углеродным волокном. Лист из углеродного волокна был изготовлен путем укладки углеродного волокна 69 GSM (69 г / м ² ) (TenCate M49J) в направлениях 0-90-0. После отверждения толщина этого слоя составляет около 180 мкм.Масса решетки из углеродного волокна с одним двигателем в этой конфигурации составляла 5,9 мг по сравнению с предыдущей решеткой из нержавеющей стали на 8,3 мг. Мы дополнительно оптимизировали расстояние и вес, уменьшив расстояние со 150 мкм до 100 мкм. Нам не удалось создать функциональный коллектор с использованием более тонкого углеродного волокна 90 мкм и уменьшенного шага сетки на 50 мкм из-за чрезмерного разрушения во время изготовления (когда лазерный резак имеет радиус пятна 20 мкм, что приводит к неравномерному удалению материала с обеих сторон линия сетки).В коллекторной сетке имеется 15 × 9 квадратных отверстий со стороной 100 мкм каждое. Это соответствует общему проходному сечению 21,6 мм ² , что соответствует закупорке 32,75%.

Конструкция с четырьмя подруливающими устройствами

После того, как были спроектированы отдельные подруливающие устройства, следующие этапы проектирования включали сборку четырех одиночных подруливающих устройств для создания четырехтактного подруливающего устройства. В четырехъядерном двигателе расстояние между каждым одиночным двигателем составляло 7 мм, а расстояние между электродами составляло 3,5 мм. Расстояние между электродами выбирается итеративно на основе наблюдаемого отношения тяги к весу для текущей конструкции двигателя малой тяги.Влияние расстояния между двигателями (7 мм) и ориентации в этой работе не исследуется и не оптимизируется. Мы также создали одно подруливающее устройство, как показано на рис. 3, для тестирования и определения характеристик.

Сборка

В этом разделе мы обсуждаем процесс сборки устройства с четырьмя двигателями. После изготовления компонентов сборка занимает около 15 минут. Шаги, включенные в процесс сборки, кратко описаны ниже.

1. Набор из восьми полюсов помещается через отверстия в зажимном приспособлении-1, как показано на Рис. 4 (a).
2. Решетка аккуратно выровнена и продета через столбы; затем он приклеивается этими столбами сверху, чтобы избежать случайного склеивания компонентов с помощью зажимного приспособления. Тогда это будет выглядеть так, как показано на рис. 4 (b).
3. Затем на каждую решетку коллектора помещают четыре установочных приспособления (высотой 3,5 мм), как показано на Рис. 4 (c).
4. Четыре эмиттера теперь вставлены в стойки наверху каждой коллекторной решетки, как показано на рис. 4 (d). Убедитесь, что все наконечники находятся в контакте со своими установочными приспособлениями.Затем эти эмиттеры приклеиваются полюсами (цианоакрилат).
5. Когда клей высохнет, все четыре установочных приспособления удаляются, а затем вся сборка вынимается из удерживающего приспособления. Сборка выглядит как САПР, показанный на рис. 4 (е). Рис. 4 (f) показывает изображение реальной сборки, установленной на удерживающем приспособлении.
6. Питание всей системы осуществляется через внешние тросы. Счетверенный двигатель имеет 2 внешних провода; медный провод 58-го калибра прикреплен к одному из внутренних концов эмиттеров таким образом, чтобы соединение было ближе к центру коллекторной сетки.Другое подключение калибра 58 выполнено к центру коллекторной сети. Серебряная паста используется для соединения с соответствующим электродом. После того, как электрическое соединение установлено, добавляется немного клея для дальнейшего усиления стыка.

Рис. 4. Этапы сборки четырёхдвигательного подруливающего устройства.

(a) Оптоволоконные стеклянные опоры, вставленные в отверстия зажимного приспособления. (b) Затем сетка помещается на зажимное приспособление через стойки. Примечание: толщина сетки увеличена для 3D-просмотра.(c) Четыре установочных приспособления, размещенных на каждой решетке коллектора. (d) Четыре излучателя вставляются в опоры поверх установочных приспособлений. (e) Диметрический вид квадроцикла после удаления приспособлений. (f) Изображение квадроцикла, полностью собранного во внешнем приспособлении-1, которое используется для сборки.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g004

Экспериментальный метод и результаты

Сначала были выполнены электрические характеристики каждого двигателя в устройстве с четырьмя двигателями.Высоковольтный положительный источник постоянного тока (Bertan 205B-20R) использовался для создания разности потенциалов между эмиттером и коллектором. Ток, связанный с разрядом, определялся с помощью встроенного в источник питания амперметра. Выполняется четыре измерения тока коронного разряда и создаваемой тяги при каждом напряжении срабатывания. Вычисляются выборочное среднее и стандартное отклонение. Планки погрешностей, использованные на рисунках 5 и 7, обозначают одно стандартное отклонение от выборочного среднего. Результаты показаны на рис. 5 для каждого из четырех двигателей, составляющих один блок.Тенденции тока и напряжения аналогичны квадратичным трендам, о которых сообщалось ранее [18, 22, 31]. Мы сопоставили наши данные с текущей моделью Таунсенда, показанной в уравнении (5), используя значение C , равное 2,2, и значение V _{, критическое значение} , равное 3,6 кВ, и построена зависимость тока от напряжения, показывающая, что наши данные согласуются с моделью. Пиковая сила 1,2 мН для квадроцикла предсказывается из уравнения (6), что соответствует теоретическому соотношению тяги к весу, равному 3.5.

Рис. 5. Зависимость тока короны от приложенного напряжения для каждого индивидуального двигателя малой тяги.

Измерения соответствуют текущей модели Таунсенда и точно отражают теоретический тренд. Расчетное напряжение начала короны составляет 3600 В со стандартным отклонением 100 В.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g005

Сила тяги, рассчитанная по модели, подтверждается экспериментальным измерением тяги, как показано на рис. 6; Подобная установка использовалась в предыдущих исследованиях [24].Подруливающее устройство удерживалось непосредственно над весами с разрешением 0,1 мг (Mettler Toledo), так что коллекторная сетка была выровнена параллельно поверхности весов с помощью керамического пинцета. Такое расположение с закрепленным двигателем снижает влияние электростатических сил, действующих на самолет через трос. Расстояние между коллекторной сеткой и весами составляет 21 мм. Показание шкалы было установлено на ноль, и каждый двигатель малой тяги был включен для измерения тяги. Кусок тефлона был помещен между плато баланса и коллектором, чтобы электрически изолировать баланс и избежать тока утечки.Измеренная тяга — это сила, создаваемая ускоренным ионным ветром на прецизионной шкале. Можно видеть, что тяга увеличивается с напряжением, приложенным к электродам, как показано на рис. 7. Тенденции тяги следуют ранее сообщенной квадратичной зависимости от приложенного напряжения [23–25]. Максимальная создаваемая тяга возникает непосредственно перед тем, как инициируется искровое зажигание, в этот момент тяга падает до нуля и разрушает сетку. Пиковая сила, создаваемая каждым двигателем малой тяги, составляла около 260 мкН со стандартным отклонением 20 мкН.Прогнозы модели были выше, чем результаты экспериментов, но результаты отражали тенденцию. Различие между моделью и экспериментом можно объяснить потерями на засорение и сопротивление, как показано в [23, 24]. Модель, описанная в уравнении (6), помогла нам подтвердить измерения тяги и может лечь в основу будущих исследований параметрической оптимизации с ограничениями для четырехдвигательного двигателя.

Рис. 6. Схема прибора для измерения тяги.

Тяга, создаваемая двигателем EHD, была измерена путем измерения силы, создаваемой ионным ветром, на прецизионной шкале.Тросы не показаны для простоты, и подруливающее устройство не опирается на весы.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g006

Рис. 7. Изменение тяги в зависимости от приложенного напряжения показано для каждого двигателя четырехтактного двигателя.

Диапазон входных напряжений от 3 кВ до 5,2 кВ. Модель течения Таунсенда, показанная на рис. 6, используется для вычисления теоретического верхнего предела измеренной кулоновской силы, и данные фиксируют эту тенденцию.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0231362.g007

Плотность тяги и эффективность являются важными параметрами для понимания работы и характеристик двигателя EHD по сравнению с другими конструкциями. Плотность тяги определяется как количество тяги, создаваемой на единицу площади, тогда как эффективность определяется как тяга на единицу мощности. Плотность тяги для двигателей EHD рассчитывается на основе эффективной площади, в которой существует поток EHD, то есть площади сетки. На рис. 8 показано, как плотность тяги изменяется в зависимости от входной мощности коронного разряда ЭГД-двигателя.Электрическая мощность была рассчитана по формуле 3. Максимальная тяга 0,295 мН соответствует 13,67 Н / м. ² удельная тяга, достигнутая при входной электрической мощности (также известной как мощность коронного разряда) 90,4 мВт. Следовательно, плотность тяги на единицу мощности для двигателя EHD составляет 151,17 Н / м ² Вт. Эффективность составляет около 3,265 мН / Вт. Эти данные можно сравнить с машинами крыла с пьезоэлектрическим приводом, такими как RoboFly [6], эффективность которого составляет 12,2 мН / Вт. Для тяги 0,736 мН, входной мощности 60 мВт и эффективной стреловидности крыла 308 мм ² плотность тяги равна 2.39 Н / м ² . Таким образом, удельная тяга на единицу мощности составляет 39,8 Н / м ² Вт. Следовательно, хотя КПД ЭГД-двигателя ниже, чем у робота с машущим крылом сопоставимых размеров (КПД робота с машущим крылом составляет 3,74 раза). выше) удельная тяга на единицу потребляемой мощности в 3,8 раза выше для ЭГД-двигателя. Это важно, потому что плотность тяги коррелирует с массой двигателя малой тяги, и поэтому этот показатель представляет собой не зависящий от масштаба (и не зависящий от типа двигателя) показатель эффективности.

Рис. 8. Эффективность с точки зрения плотности тяги в зависимости от мощности коронного разряда для каждого двигателя в устройстве с четырьмя двигателями.

Отображаемые точки данных представляют собой средние значения плотности тяги и мощности коронного разряда.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g008

Для экспериментов в свободном полете прибор ставили на деревянный стол. Четыре излучателя соединены между собой проводами калибра 51, как упоминалось выше в разделе сборки, а четырехгрунтовое подруливающее устройство приводилось в действие с помощью двух медных проводов калибра 58 перед высокоскоростной камерой (Sony RX100).Одно соединение калибра 58 прикреплено сверху к одному из внутренних концов эмиттера, а другое соединение прикреплено к центру коллекторной решетки. Силовые тросы удерживались керамическим пинцетом и снимались натяжения. Внутренние опоры были сняты и прикреплены к внешним опорам двигателя для увеличения высоты и уменьшения электростатического взаимодействия с плоскостью взлета. При напряжении 4,6 кВ осуществлен отрыв четырехдвигательного двигателя. На рис.9 представлена ​​последовательность изображений полета для первого 0.За 32 секунды до соприкосновения проводов друг с другом закончился свободный полет. Это окончательно показывает, что устройство способно поднимать собственный вес, и в будущем вертикальный отрыв может быть достигнут за счет балансировки двигателя малой тяги, как показано в [32].

Рис. 9. Кадры, захваченные с частотой кадров 240 кадров в секунду от квадрокоптера в полете.

Подруливающее устройство стоит на столе, патрубок коллектора свисает вниз, а патрубок эмиттера направлен вверх.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0231362.g009

Наконец, мы завершаем этот раздел сравнением характеристик двигателей с одним эмиттером нашего устройства с четырьмя двигателями и двигателем с одним эмиттером, устройством с четырьмя двигателями, представленными в [30 ] (который напрямую не измерял тягу). Следовательно, для сравнения характеристик двух решеток в качестве критериев выбираются создаваемая тяга (оцененная по взлетной видеозаписи, представленной в [30]) и тяговооруженность. Версия Ionocraft с одним эмиттером взлетает при 2400 В с током коронного разряда, близким к 20 мкА.Это соответствует мощности короны 0,048 Вт, и из наблюдаемого пикового ускорения Ionocraft они пришли к выводу, что соответствующая тяга составляет примерно 200 мкН, что составляет отношение тяги к весу 2,04. При той же входной мощности наш четырехдвигательный двигатель вырабатывает 675 мкН, что дает отношение тяги к массе 1,86. Таблица 1 включает исчерпывающий обзор методологии производства и сравнение характеристик Ionocraft и нашего четырехдвигательного двигателя, изготовленного с помощью лазера.

Заключение

Счетверенный двигатель был изготовлен с использованием ультрафиолетовой лазерной микрообработки и охарактеризованы характеристики четырехгранного двигателя. Измеренные значения тока и тяги хорошо согласуются с теорией ЭГД. Отклонения всех четырех подруливающих устройств в устройстве минимальны, и демонстрируется отрыв четырехтактного подруливающего устройства. Устройство могло поднимать свой вес, о чем свидетельствовали измерения тяги и свободный полет, связанный с помощью проволочного троса. Удельная тяга нашего аппарата при взлетном напряжении 4.6 кВ составляет 1,38 при потребляемой мощности 0,037 Вт. Пиковое отношение тяги к массе нашего подруливающего устройства при максимальном напряжении срабатывания 5,2 кВ (с типичным рабочим диапазоном от 3,6 кВ до 5,2 кВ) составляет 3,03 при потребляемой мощности. 0,104 Вт, что немного ниже соотношения 4,5, о котором сообщалось ранее [33]. Мы использовали меньше эмиттерных строк, чем [33], и ожидаем, что добавление большего количества строк существенно увеличит подъемную силу с небольшим добавленным весом. Мы также считаем, что есть широкие возможности уменьшить массу нашего устройства за счет использования более тонкого и легкого материала.Мы планируем провести исследование различных конструкций в моделировании методом конечных элементов, чтобы более подробно изучить конфигурационное пространство. Вся эта работа внесет значительный вклад в повышение отношения тяги к массе нашего четырехдвигательного подруливающего устройства, что является основополагающим для сантиметровых воздушных роботов с электронно-гидродинамическим приводом.

Время изготовления от исходных материалов до полного устройства с четырьмя двигателями составляет около 25 минут, и такой подход обеспечивает большую гибкость при выборе материалов.Этот процесс является жизнеспособной и более быстрой альтернативой процессу изготовления ЭГД-двигателя на основе кремния на изоляторе на стадии лабораторного прототипирования. Это выгодно отличается от процесса, описанного в литературе [30], который занимает в лучшем случае 2-3 дня. Мы отмечаем, что помимо короткого времени изготовления, лазерное микропроизводство позволяет использовать гораздо более разнообразный набор материалов. Хотя кремний имеет высокое отношение прочности к массе, другие материалы могут обеспечить лучшие характеристики для определенных применений, таких как еще более высокое отношение прочности к массе однонаправленных композитов из углеродного волокна.Кроме того, если другие материалы могут увеличить срок службы острых наконечников излучателя, почти наверняка можно обработать его с помощью лазера DPSS, а для изготовления этих электродов не требуется чистое помещение.

Путь к автономии требует продвижения по нескольким направлениям с использованием различных компонентов в качестве полезной нагрузки. Можно добавить небольшую бортовую камеру (как показано в [34] для машущего крыльями робота-насекомых) вместе с другими сенсорными блоками, такими как IMU (имеет массу 37 мг в [10]), что будет иметь важное значение. в управляемом полете и зондировании вокруг.Дальнейшая работа также включает внедрение бортового источника питания и соответствующей силовой электроники. До недавнего времени микророботы получали питание через внешние соединения. Лаборатория автономной робототехники для насекомых Вашингтонского университета разработала легкую схему, которая не требует батареи и обеспечивает беспроводное питание робота [3]. Эта схема была способна развивать 200 В для управления пьезоприводом в корпусе 100 мг. Мы ожидаем, что аналогичный подход может быть распространен на разность потенциалов в кВ, необходимую для двигателей EHD.

Приложение

Управление полетом будущего

Цель использования четырех отдельных двигателей EHD — обеспечить управление по тангажу и крену, как у квадрокоптера. Мы ожидаем, что контроллер для четырехтактного двигателя будет аналогичен контроллеру четырех крыльев робота с машущими крыльями в виде насекомых, разработанного в [35], и квадрокоптерам в целом. Диаграмма свободного тела для динамики тангажа / крена показана на рис. 10. Двигатель малой тяги симметричен относительно его осей крена и тангажа, что приводит к идентичной формулировке соответствующей динамики.Контроль рыскания оставлен на будущее. Динамика тангажа / крена описывается следующим образом. (7) Приведенный выше набор уравнений (7) получен из Рис. 10, где I _p — момент инерции двигателя малой тяги относительно оси тангажа / крена, — угловое ускорение, m — масса двигателя малой тяги. , а F _i — сила тяги, создаваемая i-м двигателем. Это показывает, что за счет модуляции сил тяги F _i двигатель подруливающего устройства полностью управляем в плоскости x — z , а благодаря вышеупомянутой симметрии он также полностью управляем в плоскости y — . z самолет.

Рис. 10. Схема свободного движения квадроцикла на виде сбоку для демонстрации управления по тангажу / крену.

Управление по тангажу / крену у квадроцикла такое же, как у мультикоптера. Тяга, создаваемая двигателем i-го двигателя, обозначена F _i . Для положительного угла тангажа / крена θ . F ₁ + F ₃ и F ₂ + F ₄ можно активно управлять для стабилизации двигателя малой тяги в желаемой ориентации θ .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231362.g010

Благодарности

Авторы также хотят поблагодарить Йоханнеса Джеймса и Викрама Айера за содержательное обсуждение во время экспериментальной установки и первоначального проектирования, а также TenCate, Inc. за пожертвование композитных материалов, использованных в этом исследовании.

Ссылки

1. 1. Ма К.Ю., Чирараттананон П., Фуллер С.Б., Вуд Р.Дж. Управляемый полет биологически вдохновленного робота размером с насекомое.Наука. 2013. 340 (6132): 603–607. pmid: 23641114
2. 2. Фуллер С.Б., Карпельсон М., Цензи А., Ма К.Ю., Вуд Р.Дж. Управление свободным полетом роботизированной мухи с помощью бортового датчика зрения, созданного на основе глазков насекомых. Журнал Интерфейса Королевского общества. 2014; 11 (97): 20140281.
3. 3. Джеймс Дж., Айер В., Чукевад И., Голлакота С., Фуллер С.Б. Старт летательного аппарата с лазерным приводом массой 190 мг: самый легкий беспроводной робот для полета. В: Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2018 г. (ICRA).IEEE; 2018. с. 1–8.
4. 4. Яфферис Н.Т., Хелблинг Э.Ф., Карпельсон М., Вуд Р.Дж. Несвязанный полет микромасштабного летательного аппарата с машущим крылом размером с насекомое. Природа. 2019; 570 (7762): 491–495. pmid: 31243384
5. 5. Чен Ю., Ван Х., Хелблинг Э. Ф., Яфферис Н. Т., Цуффери Р., Онг А. и др. Биологически вдохновленный гибридный воздушно-водный микроробот с машущим крылом. Наука Робототехника. 2017; 2 (11): eaao5619.
6. 6. Чукевад Ю.М., Сингх А.Т., Джеймс Дж. М., Фуллер С.Б.Новая конструкция летательного робота, более простая в изготовлении, способная летать и передвигаться по земле. В: Международная конференция IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS), 2018 г. IEEE; 2018. с. 4875–4882.
7. 7. Чукевад Ю.М., Джеймс Дж., Сингх А., Фуллер С. РобоФлай: робот размером с насекомое с упрощенной конструкцией, способный летать, перемещаться по земле и воде; 2020.
8. 8. Wood RJ, Finio B, Karpelson M, Ma K, Pérez-Arancibia NO, Sreetharan PS и др.Прогресс в области авиалайнеров. Международный журнал исследований робототехники. 2012. 31 (11): 1292–1302.
9. 9. Xu H, He Y, Strobel KL, Gilmore CK, Kelley SP, Hennick CC и др. Полет самолета с твердотельной двигательной установкой. Природа. 2018; 563 (7732): 532. pmid: 30464270
10. 10. Дрю Д.С., Ламберт Н.О., Шиндлер С.Б., Пистер К.С. К управляемому полету ионокрафта: летающего микроробота, использующего электрогидродинамическую тягу с бортовым зондированием и отсутствием движущихся частей.Письма IEEE по робототехнике и автоматизации. 2018; 3 (4): 2807–2813.
11. 11. Go DB, Матурана Р.А., Фишер Т.С., Гаримелла С.В. Усиление внешней принудительной конвекции ионным ветром. Международный журнал тепломассообмена. 2008. 51 (25-26): 6047–6053.
12. 12. Джуэлл-Ларсен Н., Хсу С., Кричтафович И., Монтгомери С., Дибене Дж., Мамишев А.В. CFD-анализ электростатических ускорителей жидкости для принудительного конвекционного охлаждения. IEEE Transactions по диэлектрикам и электроизоляции.2008. 15 (6): 1745–1753.
13. 13. Вадди Р.С., Гуан Ю., Новоселов И. Динамика частиц в электрогидродинамическом потоке, индуцированном короной. Препринт arXiv arXiv: 1986. 2019 ;.
14. 14. Джу Й., Сун В. Плазменное горение: Динамика и химия. Прогресс в области энергетики и горения. 2015; 48: 21–83.
15. 15. Моро Э. Управление воздушным потоком с помощью нетепловых плазменных приводов. Журнал физики D: прикладная физика. 2007; 40 (3): 605.
16. 16.Рот-младший. Ускорение аэродинамического потока с использованием параэлектрических и перистальтических электрогидродинамических эффектов однородной плазмы тлеющего разряда в одной атмосфере. Физика плазмы. 2003. 10 (5): 2117–2126.
17. 17. Чой К.С., Джукс Т., Уолли Р. Управление турбулентным пограничным слоем с помощью плазменных приводов. Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 2011; 369 (1940): 1443–1458.
18. 18. Townsend JS. Электричество в газах; 1915 г.
19. 19. Яналлах К., Понтига Ф. Полуаналитическая стационарная модель двухкоординатного коронного разряда. Наука и технологии источников плазмы. 2012; 21 (4): 045007.
20. 20. Чжан Ю., Лю Л., Чен Ю., Оуян Дж. Характеристики ионного ветра в коронном разряде игла-кольцо. Журнал электростатики. 2015; 74: 15–20.
21. 21. Мартинс А.А. Моделирование положительного коронного разряда проволока-цилиндр-пластина в газообразном азоте при атмосферном давлении.Физика плазмы. 2012; 19 (6): 063502.
22. 22. Гуан Ю., Вадди Р.С., Алиседа А., Новоселов И. Аналитическая модель электрогидродинамического течения в коронном разряде. Физика плазмы. 2018; 25 (8): 083507. pmid: 30147288
23. 23. Вадди Р.С., Гуан Ю., Мамишев А., Новоселов И. Аналитическая модель электрогидродинамической тяги. Препринт arXiv arXiv: 200211662. 2020 ;.
24. 24. Моро Э., Бенар Н., Лан-Сун-Лук Д. Д., Хабриат Дж. П. Электрогидродинамическая сила, создаваемая коронным разрядом постоянного тока между проволокой и цилиндром в воздухе при атмосферном давлении.Журнал физики D: Прикладная физика. 2013; 46 (47): 475204.
25. 25. Масуяма К., Барретт С.Р. О характеристиках электрогидродинамической двигательной установки. Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 2013; 469 (2154): 20120623.
26. 26. Гуан Ю., Вадди Р.С., Алиседа А., Новоселов И. Экспериментальное и численное исследование электрогидродинамического течения в коронном разряде типа «точка-кольцо». Physical Review Fluids. 2018; 3 (4): 043701.
27. 27. Stuetzer OM. Создание давления ионного увлечения. Журнал прикладной физики. 1959; 30 (7): 984–994.
28. 28. Хомич В.Ю., Ребров И.Е. Атмосферный самолет с электрогидродинамической силовой установкой с бортовым беспроводным питанием. Журнал электростатики. 2018; 95: 1–12.
29. 29. Гилмор CK, Barrett SR. Электрогидродинамическая плотность тяги с использованием положительного ионного ветра, индуцированного коронным разрядом, для движения в атмосфере. Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки.2015; 471 (2175): 20140912.
30. 30. Дрю Д.С., Пистер К.С. Первый взлет летающего микроробота без движущихся частей. В: Международная конференция по манипуляции, автоматизации и робототехнике в малых масштабах, 2017 г. (MARSS). IEEE; 2017. с. 1–5.
31. 31. Townsend JS. XI. Потенциалы, необходимые для поддержания токов между коаксиальными цилиндрами. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. 1914. 28 (163): 83–90.
32. 32. Дхингра Д., Чукевад Ю.М., Фуллер С.Б.Устройство для быстрой автоматической обрезки летающих роботов размером с насекомых. Письма IEEE по робототехнике и автоматизации. 2020; 5 (2): 1373–1380.
33. 33. Дрю Д.С., Пистер К.С. ВЗЛЕТ ЛЕТУЩЕГО МИКРОРОБОТА С НАГРУЗКОЙ ДАТЧИКА COTS С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УПРАВЛЕНИЯ, ПРОИЗВОДИМОЙ СУБМИЛЛИМЕТРОВЫМ КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ.
34. 34. Баласубраманиан С., Чукевад Ю.М., Джеймс Дж.М., Барроуз Г.Л., Фуллер С.Б. Робот в форме насекомых, который использует встроенную бортовую камеру и нейронную сеть для классификации и реагирования на визуальный ввод.В: 7-я Международная конференция IEEE по биомедицинской робототехнике и биомехатронике, 2018 г. (Biorob). IEEE; 2018. с. 1297–1302.
35. 35. Фуллер С.Б. Четыре крыла: воздушный робот размером с насекомое с возможностью управления и грузоподъемностью для автономии. Письма IEEE по робототехнике и автоматизации. 2019; 4 (2): 570–577.

Электрогидродинамический двигатель, созданный на основе лазера для сантиметровых воздушных роботов

PLoS One. 2020; 15 (4): e0231362.

Хари Кришна Хари Прасад

¹ Лаборатория автономной робототехники для насекомых (AIR), факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Рави Санкар Вадди

² Исследовательская группа Новоселова, факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Йогеш М.Чукевад

¹ Лаборатория автономной робототехники для насекомых (AIR), факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Элма Дедик

¹ Лаборатория автономной робототехники для насекомых (AIR), факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Игорь Новоселов

² Исследовательская группа Новоселова, факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Сойер Б.Фуллер

¹ Лаборатория автономной робототехники для насекомых (AIR), факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Томмазо Ранзани, редактор

¹ Лаборатория автономной робототехники для насекомых (AIR), факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

² Исследовательская группа Новоселова, факультет машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, Соединенные Штаты Америки,

Бостонский университет, США,

^# Внесено поровну.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Поступило 05.08.2019 г .; Принято 2020 21 марта.

Abstract

На сегодняшний день роботы-насекомые, способные к управляемому полету, использовали машущие крылья для создания подъемной силы, но для этого требуется сложный и подверженный сбоям механизм.Более простой альтернативой является электрогидродинамическая (ЭГД) тяга, которая не требует движущихся механических частей. В ЭГД коронный разряд генерирует поток ионов в электрическом поле между двумя электродами; Ионы с высокой скоростью передают свою кинетическую энергию нейтральным молекулам воздуха посредством столкновений, ускоряя газ и создавая тягу. Мы представляем процесс изготовления ЭГД-двигателя, основанный на лазерной микрообработке с длиной волны 355 нм, который потенциально позволяет выбрать больший выбор материалов, таких как композиты на основе волокна, чем это возможно при литографической обработке на основе полупроводников.Наше устройство с четырьмя двигателями имеет размеры 1,8 × 2,5 см и состоит из стальных излучателей и легкой сетки из углеродного волокна. Мы измерили электрический ток и тягу каждого двигателя нашей конструкции с четырьмя двигателями, что показало соответствие с соотношением Таунсенда. Пиковая тяга нашего устройства при 5,2 кВ была измерена в 3,03 раза больше его массы 37 мг (363,0 мкН) с использованием прецизионных весов. В свободном полете мы продемонстрировали отрыв на 4,6 кВ.

Введение

Робототехника в масштабе насекомых вызвала интерес из-за ее возможного использования в сельском хозяйстве, поисково-спасательных операциях и биомедицине, а также в других областях.Небольшие размеры и удешевление производства роботов-насекомых облегчили исследования микроботов. На сегодняшний день основной упор в робототехнике в виде насекомых делается на то, чтобы черпать вдохновение из биологии, потому что биология нашла решения, существование которых доказывает, что они работают. Один из примеров — машущие крылья роботизированные насекомые [1]. Впоследствии в роботы этого типа были встроены бортовые датчики для стабилизации полета [2], и они впервые взлетели без использования проволочного троса, доходящего до земли с использованием источника лазерного питания [3], а затем и лампы накаливания [4].Другие разработки включают использование взрывчатых веществ для разрушения поверхностного натяжения воды [5] и RoboFly, который способен выполнять мультимодальные движения, включая ходьбу [6], полет и межфазное движение воздух-вода [7]. Хотя машущие крылья хорошо подходят для летательных аппаратов размером с насекомых, они требуют значительных затрат с точки зрения механической сложности [8]. В этой статье мы сосредоточимся на альтернативных способах создания тяги, которые не используются в биологии: электрогидродинамическая тяга (ЭГД). ЭГД-тяга требует постоянного высокого напряжения, что, возможно, поэтому не наблюдается в биологии.С инженерной точки зрения EHD обладает привлекательной характеристикой, так как не требует движущихся механических частей, что упрощает изготовление. Недавним достижением, указывающим на перспективность ЭГД тяги, стал самолет 2,5 кг с полностью ЭГД двигателем [9].

В работе [10] сообщается о демонстрации очень маленького самолета на базе ЭГД, «Ионокрафт» размером всего 3 см в поперечнике, состоящего из четырех двигателей. Он смог взлететь с помощью внешнего источника питания. Сильная сторона этой работы заключалась в том, что низкая скорость истечения из низковольтных двигателей EHD хорошо сочеталась с небольшой массой этого устройства.Кроме того, EHD потенциально проще, чем полет с машущим крылом, потому что даже устройство с четырьмя двигателями состоит только из одной движущейся части. Однако устройство в [10] было изготовлено с использованием дорогостоящего оборудования для производства чистых помещений на основе полупроводников. Требуются значительные инженерные разработки, прежде чем небольшой робот с двигателем EHD сможет полностью автономно выполнять воздушное передвижение, что сделает его пригодным для полезного применения. Более быстрые и менее дорогие методы создания роботов с двигателем EHD могут способствовать сокращению времени итераций проектирования, что очень желательно, когда технологии все еще находятся в зачаточном состоянии.

В этой статье мы используем лазерную обработку для создания двигателей EHD для воздушных роботов сантиметрового размера. Этот процесс позволяет использовать большее разнообразие электродных материалов и устраняет необходимость в чистом помещении. Например, он позволяет за считанные минуты изготовить полное устройство с четырьмя подруливающими устройствами. Устройство с четырьмя двигателями, представленное в этой статье, как показано на рисунке, создало тягу, превышающую его вес. Мы сообщаем о методологии изготовления и экспериментальных измерениях коронного тока, тяги и эффективности передачи энергии для каждого индивидуального двигателя четырехтактного двигателя.Наконец, мы представляем взлет нашего квадроцикла.

Компоненты робота состоят из коллекторной решетки из углеродного волокна, четырех излучателей из закаленной синей стали и восьми стекловолоконных трубок. Все компоненты собираются вручную с использованием внешних приспособлений.

Электрогидродинамика (EHD)

Электрогидродинамика (EHD) — это междисциплинарная область, описывающая взаимодействие жидкостей с электрическим полем.Понимание сложных мультифизических взаимодействий имеет важное значение для понимания потоков ЭГД: (1) генерация ионов; (2) движение иона в электрическом поле; (3) взаимодействие между движением ионов и нейтральных молекул; и (4) силы инерции и вязкости в сложном потоке.

Поток, управляемый коронным разрядом

Коронный разряд генерирует поток ионов в сильном электрическом поле между двумя электродами; ионы с высокой скоростью передают свою кинетическую энергию нейтральным молекулам воздуха за счет столкновений, которые ускоряют газ в направлении дрейфа ионов.Это явление движения электрогидродинамического (EHD) потока, также называемое в литературе ионным ветром, используется во многих практических приложениях, таких как конвективное охлаждение [11, 12], электростатические фильтры (ESP) [13], плазменное сжигание [ 14], управления воздушным потоком [15, 16], а также в качестве турбулентных приводов пограничного слоя [17]. ЭГД-поток, индуцированный короной, напрямую преобразует электрическую энергию в кинетическую и не требует движущихся частей. Вольт-амперная зависимость при коронном разряде характеризует движение ионов между электродами.Это явление изучается с начала 20 века. Классическая зависимость была получена Таунсендом [18] в 1914 г. и подтверждена для конфигурации коаксиальной короны. Некоторые недавние исследования модифицируют квадратичную зависимость Таунсенда, чтобы лучше описать взаимосвязь для различных конфигураций электродов [19–22]. Обобщенная аналитическая модель зависимости напряжения от тока и напряжения от скорости для потока, управляемого ЭГД, была недавно описана [22]; аналитическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными в областях ускоряющегося течения (течение с преобладанием ЭГД).Аналитическое исследование было расширено для определения зависимости напряжения от тяги в плоских координатах с учетом и без учета вязких потерь и хорошо согласуется с экспериментами [23] и предыдущими работами [24, 25]. В предыдущих исследованиях сообщалось, что максимальная скорость для конфигурации электродов «острие-кольцо» была зафиксирована на уровне 9 м / с [26], а также оценивалось использование ионного ветра в двигательных установках [24].

Штутцер [27] представил первый экспериментальный и теоретический анализ сопротивления давлению, создаваемого ионами, в котором он определил генерацию давления в широком диапазоне несущих сред.Предыдущая работа, выполненная Масуямой [25], определила достижимое соотношение тяги к мощности движителя EHD порядка 5-10 Н.кВт ^-1 . Было обнаружено, что отношение тяги к мощности зависит от расстояния между электродами и разности потенциалов между электродами. Аналогичные результаты наблюдались для ионного крафта с беспроводным источником питания на борту и мощностью передачи до 100 Вт на ионокраф при напряжениях до 12 кВ [28]. Двигательная установка EHD может использоваться для приведения в движение БПЛА; экспериментально измеренная максимальная плотность тяги 15 Н.m ⁻³ сообщалось недавно [29]. Дрю и др. показали, что более высокая плотность тяги может быть достигнута для роботов размером с насекомых [10, 30], а поток EHD может быть использован для управления полетом.

Электрогидродинамическая сила

Одномерная модель EHD-двигателя дает выражение в терминах тока, расстояния между анодом и катодом. Эффект пространственного заряда здесь не учитывается, однако он может быть существенным при высоких значениях напряженности электрического поля. Ток определяется интегрированием плотности заряда

где ρ _e — плотность заряда, μ — подвижность ионов в воздухе, E — электрическое поле.В данном исследовании предполагается, что подвижность ионов составляет μ = 2 × 10 ⁻⁴ м ² / В · с. Для анализа эффективности передачи энергии примите во внимание, что тяга равна кулоновской силе, действующей на объем жидкости между анодом и катодом.

где F — тяга, I — ионный ток, d — расстояние между электродами. Мощность коронного разряда может быть записана как в уравнении 3, а эффективность, которая определяется как F / P , определяется уравнением (4).

где E — напряженность электрического поля, а В, — приложенное напряжение. Дрю и др. По отчету минимальный КПД в их конструкции должен составлять 2 мН / Вт. Анализ проливает свет на важность расстояния между электродами и приложенного напряжения. Уравнение 4 показывает, что для большего расстояния между электродами могут быть достигнуты более высокие значения эффективности, как наблюдали Гуан и др. [26]. Что касается конфигурации электродов, важно вернуться к отношениям Таунсенда [31]

где В _крит — начальное напряжение, а В — приложенное напряжение. C — постоянная, связанная с геометрией электродов [25]. Тяга может быть определена с помощью соотношения Таунсенда

В практической конструкции подруливающего устройства для достижения максимальной тяги постоянная C должна быть максимизирована, а V _крит должна быть минимизирована. Другие соображения включают эффекты области нелинейной ионизации, структуры вторичного потока, коэффициент блокировки катода, переход от тлеющего к проточному коронному разряду и, в конечном итоге, к искровому пробою.Полная оптимизация подруливающего устройства EHD выходит за рамки данной статьи.

Изготовление

Наш производственный процесс подчеркивает скорость и простоту за счет минимизации количества компонентов и времени изготовления.

Предыдущие работы использовали процесс кремний-на-изоляторе для изготовления ЭГД двигателя малой тяги [30]. Эмиттерный и коллекторный электроды были изготовлены из кремния с рисунком фотолитографической маски. После процесса глубокого реактивного ионного травления (DRIE) для абляции через пластину электроды еще раз травятся плавиковой кислотой (HF).В этой работе изолирующие стойки для отделения эмиттера от коллектора были изготовлены из капиллярных трубок из плавленого кварца с внешним диаметром 400 мкм. Соединения между трубкой и электродами были выполнены с помощью УФ-отверждаемой эпоксидной смолы. Силовые соединения выполняются с применением серебряной эпоксидной смолы. Для выравнивания сборки использовалось внешнее приспособление. Устройство состоит из 13 компонентов (8 капиллярных трубок, 4 эмиттера и 1 коллектор) по сравнению с последней описанной конструкцией «Ionocraft», состоящей из 41 компонента (включая компоненты датчика) [10].

Здесь мы используем лазерную микрообработку вместо кремния с литографическим рисунком. Наш лазер представляет собой твердотельный лазер с диодной накачкой (DPSS) с утроенной частотой Nd: Yag и длиной волны 355 нм (PhotoMachining, Inc., Массачусетс). Выходная мощность DPSS-лазера составляет 2 Вт, диаметр луча — 20 мкм, повторяемость положения — около 3 мкм. С помощью этой системы мы можем обработать как эмиттеры, так и коллекторы примерно за десять минут. Предлагаемая нами методика включает в себя механическую обработку с использованием следующих этапов:

1. Прокладка из закаленной синей стали и лист из углеродного волокна обрабатываются лазером с элементами для излучателей и сетки соответственно с использованием лазера DPSS.Соответствующие чертежи САПР и фактически обработанные детали показаны соответственно.

   Отдельные компоненты четырехмоторного подруливающего устройства.

   Вид сверху: (а) чертеж эмиттера, (б) чертеж коллекторной решетки четырехдвигательного двигателя. (c) Удерживающее приспособление, используемое для размещения восьми стекловолоконных оптоволокон, показанных на (d), а также для удержания решетки в плоскости, перпендикулярной полюсам. (d) Один из восьми полюсов, необходимых для сборки. (e) Один из четырех излучателей, используемых в устройстве. (f) Разносчик, используемый для удержания излучателей на одинаковом расстоянии от сетки.(g) Коллекторная сетка с четырьмя двигателями.

2. Приспособление-1 (удерживающее приспособление) и приспособление-2 (распорное приспособление) (соответственно) изготавливаются из листа акрила с использованием стандартного лазерного резака CO ₂ .

3. Полюса из стекловолоконных трубок с внутренним диаметром 250 мкм и внешним диаметром 350 мкм используются для поддержания равномерного зазора между электродами. Один из полюсов показан на рис.

Анализ конструкции

В этом разделе мы обсуждаем различные параметры, используемые при проектировании и сборке двигателя малой тяги.Мы рассмотрим проектные соображения, чтобы оптимизировать создаваемую тягу при выборе значений для этих параметров.

Эмиттер

Материал эмиттера (коронирующего электрода) должен быть жестким, проводящим и иметь элементы высокой кривизны (точки). Анализ конструкции эмиттерного электрода включал материал, кривизну, количество наконечников эмиттера и ориентацию.

Первоначально использованный материал представлял собой нержавеющую сталь толщиной 50 мкм, но был заменен на нержавеющую сталь закаленной в синий цвет толщиной 100 мкм, поскольку это был более жесткий и более прочный материал.Мы исследовали различные углы при вершине, начиная с 30 °, затем уменьшали до 10 °, а затем до 5 °. Меньший радиус кривизны наконечника эмиттера создает более сильный градиент электрического поля и более высокую концентрацию ионов. Из-за ограничений на диаметр лазерного луча, используемого для изготовления эмиттера, и локального нагрева из-за луча, мы обнаружили, что 5 ° — это самый острый наконечник, который машина могла изготовить.

Количество наконечников эмиттера соответствовало количеству локализации электрического поля для возникновения коронного разряда.Мы изучили разное количество подсказок. В каждом случае подруливающее устройство показывало одинаковые значения тяги, поэтому мы остановились на восьми наконечниках. Последним оцениваемым фактором была ориентация наконечника эмиттера. Конструкция эмиттера в базовой итерации имела наконечники электродов в плоскости, параллельной коллекторной сетке. В этом случае использовались ионы, имеющие начальную составляющую скорости в горизонтальном направлении, что привело к потере кинетической энергии, чего можно было избежать, направив наконечники прямо на решетку.

Коллектор

Коллектор — самый тяжелый из всех компонентов подруливающего устройства.Он должен иметь низкий коэффициент блокировки, чтобы молекулы воздуха, вызывающие тягу, могли проходить через него, оставаясь при этом жесткими. Мы исследовали различный шаг сетки и толщину материала.

Мы начали с коллекторной сетки с шагом 150 мкм между отметками сетки, сделанной из доступной нержавеющей стали толщиной 50 мкм. Из-за проблем с весом и изгибом решетки из нержавеющей стали из-за деформации других компонентов мы перешли на однонаправленный композит, армированный углеродным волокном. Лист из углеродного волокна был изготовлен путем укладки углеродного волокна 69 GSM (69 г / м ² ) (TenCate M49J) в направлениях 0-90-0.После отверждения толщина этого слоя составляет около 180 мкм. Масса решетки из углеродного волокна с одним двигателем в этой конфигурации составляла 5,9 мг по сравнению с предыдущей решеткой из нержавеющей стали на 8,3 мг. Мы дополнительно оптимизировали расстояние и вес, уменьшив расстояние со 150 мкм до 100 мкм. Нам не удалось создать функциональный коллектор с использованием более тонкого углеродного волокна 90 мкм и уменьшенного шага сетки на 50 мкм из-за чрезмерного разрушения во время изготовления (когда лазерный резак имеет радиус пятна 20 мкм, что приводит к неравномерному удалению материала с обеих сторон линия сетки).В коллекторной сетке имеется 15 × 9 квадратных отверстий со стороной 100 мкм каждое. Это соответствует общему проходному сечению 21,6 мм ² , что соответствует закупорке 32,75%.

Конструкция с четырьмя подруливающими устройствами

После того, как были спроектированы отдельные подруливающие устройства, следующие этапы проектирования включали сборку четырех одиночных подруливающих устройств вместе для создания четверного подруливающего устройства. В четырехъядерном двигателе расстояние между каждым одиночным двигателем составляло 7 мм, а расстояние между электродами составляло 3,5 мм. Расстояние между электродами выбирается итеративно на основе наблюдаемого отношения тяги к весу для текущей конструкции двигателя малой тяги.Влияние расстояния между двигателями (7 мм) и ориентации в этой работе не исследуется и не оптимизируется. Мы также создали одно подруливающее устройство, как показано на рисунке, для тестирования и определения характеристик.

Размерный вид коллекторной сетки, эмиттерного электрода и полюсов соединителя для текущей версии одиночного двигателя малой тяги.

Сборка

В этом разделе мы обсудим процесс сборки устройства с четырьмя двигателями. После изготовления компонентов сборка занимает около 15 минут.Шаги, включенные в процесс сборки, кратко описаны ниже.

1. Набор из восьми столбов вставляется через отверстия в зажимном приспособлении-1, как показано на.

   Этапы сборки четырёхдвигательного подруливающего устройства.

   (a) Оптоволоконные стеклянные опоры, вставленные в отверстия зажимного приспособления. (b) Затем сетка помещается на зажимное приспособление через стойки. Примечание: толщина сетки увеличена для 3D-просмотра. (c) Четыре установочных приспособления, размещенных на каждой решетке коллектора. (d) Четыре излучателя вставляются в опоры поверх установочных приспособлений.(e) Диметрический вид квадроцикла после удаления приспособлений. (f) Изображение квадроцикла, полностью собранного во внешнем приспособлении-1, которое используется для сборки.

2. Решетка аккуратно выравнивается и продвигается через полюса; затем он приклеивается этими столбами сверху, чтобы избежать случайного склеивания компонентов с помощью зажимного приспособления. Тогда он будет выглядеть так, как показано на.

3. Затем на каждую решетку коллектора помещают четыре установочных приспособления (высотой 3,5 мм), как показано на рис.

4. Четыре эмиттера теперь вставлены в стойки в верхней части каждой коллекторной решетки, как показано на. Убедитесь, что все наконечники находятся в контакте со своими установочными приспособлениями. Затем эти эмиттеры приклеиваются полюсами (цианоакрилат).

5. Когда клей высохнет, все четыре распорных приспособления удаляются, а затем весь узел вынимается из удерживающего приспособления. Сборка выглядит как САПР, показанный на. показывает изображение реальной сборки, установленной на зажимном приспособлении.

6. Питание всей системы осуществляется через внешние тросы. Счетверенный двигатель имеет 2 внешних провода; медный провод 58-го калибра прикреплен к одному из внутренних концов эмиттеров таким образом, чтобы соединение было ближе к центру коллекторной сетки. Другое подключение калибра 58 выполнено к центру коллекторной сети. Серебряная паста используется для соединения с соответствующим электродом. После того, как электрическое соединение установлено, добавляется немного клея для дальнейшего усиления стыка.

Экспериментальный метод и результаты

Сначала были выполнены электрические характеристики каждого двигателя в устройстве с четырьмя двигателями. Высоковольтный положительный источник постоянного тока (Bertan 205B-20R) использовался для создания разности потенциалов между эмиттером и коллектором. Ток, связанный с разрядом, определялся с помощью встроенного в источник питания амперметра. Выполняется четыре измерения тока коронного разряда и создаваемой тяги при каждом напряжении срабатывания.Вычисляются выборочное среднее и стандартное отклонение. Планки погрешностей, использованные на рисунках и 2, обозначают одно стандартное отклонение от выборочного среднего. Результаты показаны для каждого из четырех подруливающих устройств, составляющих один блок. Тенденции тока и напряжения аналогичны квадратичным трендам, о которых сообщалось ранее [18, 22, 31]. Мы сопоставили наши данные с текущей моделью Таунсенда, показанной в уравнении (5), используя значение C , равное 2,2, и значение V _{, критическое значение} , равное 3,6 кВ, и построена зависимость тока от напряжения, показывающая, что наши данные согласуются с моделью.Пиковая сила 1,2 мН для квадроцикла предсказывается из уравнения (6), что соответствует теоретическому соотношению тяги к весу 3,5.

Измерения соответствуют модели течения Таунсенда и точно отражают теоретический тренд. Расчетное напряжение начала коронного разряда составляет 3600 В со стандартным отклонением 100 В.

Диапазон входных напряжений от 3 кВ до 5,2 кВ. Показанная модель течения Таунсенда используется для вычисления теоретического верхнего предела измеренной кулоновской силы, и данные фиксируют эту тенденцию.

Сила тяги, рассчитанная по модели, подтверждается экспериментальным измерением тяги, как показано на; Подобная установка использовалась в предыдущих исследованиях [24]. Подруливающее устройство удерживалось непосредственно над весами с разрешением 0,1 мг (Mettler Toledo), так что коллекторная сетка была выровнена параллельно поверхности весов с помощью керамического пинцета.Такое расположение с закрепленным двигателем снижает влияние электростатических сил, действующих на самолет через трос. Расстояние между коллекторной сеткой и весами составляет 21 мм. Показание шкалы было установлено на ноль, и каждый двигатель малой тяги был включен для измерения тяги. Кусок тефлона был помещен между плато баланса и коллектором, чтобы электрически изолировать баланс и избежать тока утечки. Измеренная тяга — это сила, создаваемая ускоренным ионным ветром на прецизионной шкале.Можно видеть, что тяга увеличивается с увеличением напряжения, приложенного к электродам, как показано на рис. Тенденции тяги следуют ранее описанной квадратичной зависимости от приложенного напряжения [23–25]. Максимальная создаваемая тяга возникает непосредственно перед тем, как инициируется искровое зажигание, в этот момент тяга падает до нуля и разрушает сетку. Пиковая сила, создаваемая каждым двигателем малой тяги, составляла около 260 мкН со стандартным отклонением 20 мкН. Прогнозы модели были выше, чем результаты экспериментов, но результаты отражали тенденцию.Различие между моделью и экспериментом можно объяснить потерями на засорение и сопротивление, как показано в [23, 24]. Модель, описанная в уравнении (6), помогла нам подтвердить измерения тяги и может лечь в основу будущих исследований параметрической оптимизации с ограничениями для четырехдвигательного двигателя.

Тяга, создаваемая двигателем EHD, была измерена путем измерения силы, создаваемой ионным ветром, на прецизионной шкале. Тросы не показаны для простоты, и подруливающее устройство не опирается на весы.

Плотность тяги и эффективность являются важными параметрами для понимания работы и характеристик двигателя EHD по сравнению с другими конструкциями. Плотность тяги определяется как количество тяги, создаваемой на единицу площади, тогда как эффективность определяется как тяга на единицу мощности. Плотность тяги для двигателей EHD рассчитывается на основе эффективной площади, в которой существует поток EHD, то есть площади сетки. показывает, как плотность тяги изменяется в зависимости от входной мощности коронного разряда двигателя EHD. Электрическая мощность была рассчитана по формуле 3.Максимальная тяга 0,295 мН соответствует плотности тяги 13,67 Н / м ² , достигаемой при входной электрической мощности (также известной как мощность коронного разряда) 90,4 мВт. Следовательно, плотность тяги на единицу мощности для двигателя EHD составляет 151,17 Н / м ² Вт. Эффективность составляет около 3,265 мН / Вт. Эти данные можно сравнить с машинами крыла с пьезоэлектрическим приводом, такими как RoboFly [6], эффективность которого составляет 12,2 мН / Вт. Для тяги 0,736 мН, входной мощности 60 мВт и эффективной стреловидности крыла 308 мм ² плотность тяги равна 2.39 Н / м ² . Таким образом, удельная тяга на единицу мощности составляет 39,8 Н / м ² Вт. Следовательно, хотя КПД ЭГД-двигателя ниже, чем у робота с машущим крылом сопоставимых размеров (КПД робота с машущим крылом составляет 3,74 раза). выше) удельная тяга на единицу потребляемой мощности в 3,8 раза выше для ЭГД-двигателя. Это важно, потому что плотность тяги коррелирует с массой двигателя малой тяги, и поэтому этот показатель представляет собой не зависящий от масштаба (и не зависящий от типа двигателя) показатель эффективности.

Отображаемые точки данных представляют собой средние значения плотности тяги и мощности коронного разряда.

Для экспериментов в свободном полете прибор ставили на деревянный стол. Четыре излучателя соединены между собой проводами калибра 51, как упоминалось выше в разделе сборки, а четырехгрунтовое подруливающее устройство приводилось в действие с помощью двух медных проводов калибра 58 перед высокоскоростной камерой (Sony RX100).Одно соединение калибра 58 прикреплено сверху к одному из внутренних концов эмиттера, а другое соединение прикреплено к центру коллекторной решетки. Силовые тросы удерживались керамическим пинцетом и снимались натяжения. Внутренние опоры были сняты и прикреплены к внешним опорам двигателя для увеличения высоты и уменьшения электростатического взаимодействия с плоскостью взлета. При напряжении 4,6 кВ осуществлен отрыв четырехдвигательного двигателя. предоставляет последовательность изображений полета для первых 0.За 32 секунды до соприкосновения проводов друг с другом закончился свободный полет. Это окончательно показывает, что устройство способно поднимать собственный вес, и в будущем вертикальный отрыв может быть достигнут за счет балансировки двигателя малой тяги, как показано в [32].

Подруливающее устройство стоит на столе, соединение коллектора свисает вниз, а соединение эмиттера — прямо вверх.

Наконец, мы завершаем этот раздел сравнением характеристик двигателей с одним эмиттером нашего устройства с четырьмя двигателями и двигателя с одним эмиттером, устройства с четырьмя двигателями, представленного в [30] (который не измерял непосредственно измерения тяги).Следовательно, для сравнения характеристик двух решеток в качестве критериев выбираются создаваемая тяга (оцененная по взлетной видеозаписи, представленной в [30]) и тяговооруженность. Версия Ionocraft с одним эмиттером взлетает при 2400 В с током коронного разряда, близким к 20 мкА. Это соответствует мощности коронного разряда 0,048 Вт, и из наблюдаемого пикового ускорения Ionocraft они пришли к выводу, что соответствующая тяга составляет примерно 200 мкН, что составляет отношение тяги к весу 2.04. При той же входной мощности наш четырехдвигательный двигатель вырабатывает 675 мкН, что дает отношение тяги к массе 1,86. включает в себя исчерпывающий обзор производственной методологии и сравнение характеристик Ionocraft и нашего четырехдвигательного подруливающего устройства, изготовленного с помощью лазера.

Таблица 1

Заключение

Счетверенный двигатель был изготовлен с использованием ультрафиолетовой лазерной микрообработки и производительности четверного двигателя характеризуется.Измеренные значения тока и тяги хорошо согласуются с теорией ЭГД. Отклонения всех четырех подруливающих устройств в устройстве минимальны, и демонстрируется отрыв четырехтактного подруливающего устройства. Устройство могло поднимать свой вес, о чем свидетельствовали измерения тяги и свободный полет, связанный с помощью проволочного троса. Удельная тяга нашего устройства при взлетном напряжении 4,6 кВ составляет 1,38 при потребляемой мощности 0,037 Вт. Пиковая удельная тяга нашего двигателя при максимальном напряжении срабатывания 5.2 кВ (с типичным рабочим диапазоном от 3,6 кВ до 5,2 кВ) составляет 3,03 при потребляемой мощности 0,104 Вт, что немного ниже соотношения 4,5, о котором сообщалось ранее [33]. Мы использовали меньше эмиттерных строк, чем [33], и ожидаем, что добавление большего количества строк существенно увеличит подъемную силу с небольшим добавленным весом. Мы также считаем, что есть широкие возможности уменьшить массу нашего устройства за счет использования более тонкого и легкого материала. Мы планируем провести исследование различных конструкций в моделировании методом конечных элементов, чтобы более подробно изучить конфигурационное пространство.Вся эта работа внесет значительный вклад в повышение отношения тяги к массе нашего четырехдвигательного подруливающего устройства, что является основополагающим для сантиметровых воздушных роботов с электронно-гидродинамическим приводом.

Время изготовления от исходных материалов до готового устройства с четырьмя двигателями занимает около 25 минут, и такой подход обеспечивает большую гибкость при выборе материалов. Этот процесс является жизнеспособной и более быстрой альтернативой процессу изготовления ЭГД-двигателя на основе кремния на изоляторе на стадии лабораторного прототипирования.Это выгодно отличается от процесса, описанного в литературе [30], который занимает в лучшем случае 2-3 дня. Мы отмечаем, что помимо короткого времени изготовления, лазерное микропроизводство позволяет использовать гораздо более разнообразный набор материалов. Хотя кремний имеет высокое отношение прочности к массе, другие материалы могут обеспечить лучшие характеристики для определенных применений, таких как еще более высокое отношение прочности к массе однонаправленных композитов из углеродного волокна. Кроме того, если другие материалы могут увеличить срок службы острых наконечников излучателя, почти наверняка можно обработать его с помощью лазера DPSS, а для изготовления этих электродов не требуется чистое помещение.

Путь к автономии требует продвижения по нескольким направлениям с использованием различных компонентов в качестве полезной нагрузки. Можно добавить небольшую бортовую камеру (как показано в [34] для машущего крыльями робота-насекомых) вместе с другими сенсорными блоками, такими как IMU (имеет массу 37 мг в [10]), что будет иметь важное значение. в управляемом полете и зондировании вокруг. Дальнейшая работа также включает внедрение бортового источника питания и соответствующей силовой электроники. До недавнего времени микророботы получали питание через внешние соединения.Лаборатория автономной робототехники для насекомых Вашингтонского университета разработала легкую схему, которая не требует батареи и обеспечивает беспроводное питание робота [3]. Эта схема была способна развивать 200 В для управления пьезоприводом в корпусе 100 мг. Мы ожидаем, что аналогичный подход может быть распространен на разность потенциалов в кВ, необходимую для двигателей EHD.

Приложение

Управление полетом в будущем

Целью использования четырех отдельных двигателей EHD является обеспечение управления по тангажу и крену, как у квадрокоптера.Мы ожидаем, что контроллер для четырехтактного двигателя будет аналогичен контроллеру четырех крыльев робота с машущими крыльями в виде насекомых, разработанного в [35], и квадрокоптерам в целом. Диаграмма свободного тела для динамики тангажа / крена показана на рис. Двигатель малой тяги симметричен относительно его осей крена и тангажа, что приводит к идентичной формулировке соответствующей динамики. Контроль рыскания оставлен на будущее. Динамика тангажа / крена описывается следующим образом.

Ipθ¨ = [(F2 + F4) — (F1 + F3)] lmz¨ = [(F2 + F4) + (F1 + F3)] cosθ-mgmx¨ = [(F2 + F4) + (F1 + F3) )] sinθ

(7)

Приведенный выше набор уравнений (7) получен из, где I _p — момент инерции двигателя малой тяги относительно оси тангажа / крена, θ¨ — угловое ускорение, m — масса двигателя малой тяги. , а F _i — сила тяги, создаваемая i-м двигателем.Это показывает, что за счет модуляции сил тяги F _i двигатель подруливающего устройства полностью управляем в плоскости x — z , а благодаря вышеупомянутой симметрии он также полностью управляем в плоскости y — . z самолет.

Управление по тангажу и крену у квадроцикла такое же, как у мультикоптера. Тяга, создаваемая двигателем i-го двигателя, обозначена F _i .Для положительного угла тангажа / крена θ . F ₁ + F ₃ и F ₂ + F ₄ можно активно управлять для стабилизации двигателя малой тяги в желаемой ориентации θ .

Благодарности

Авторы также хотят поблагодарить Йоханнеса Джеймса и Викрама Айера за содержательные обсуждения во время экспериментальной установки и первоначального проектирования, а также TenCate, Inc. за пожертвование композитных материалов, использованных в этом исследовании.

Отчет о финансировании

Эта работа частично поддержана Управлением научных исследований ВВС США в рамках гранта No. FA9550-14-1-0398. Для этого исследования не было получено дополнительного внешнего финансирования. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Доступность данных

Все соответствующие данные находятся в рукописи.

Ссылки

3. Джеймс Дж., Айер В., Чукевад И., Голлакота С., Фуллер С.Б.Старт летательного аппарата с лазерным приводом массой 190 мг: самый легкий беспроводной робот для полета. В: Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2018 г. (ICRA). IEEE; 2018. с. 1–8.

6. Чукевад Ю.М., Сингх А.Т., Джеймс Дж. М., Фуллер С.Б. Новая конструкция летательного робота, более простая в изготовлении, способная летать и передвигаться по земле. В: Международная конференция IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS), 2018 г. IEEE; 2018. с. 4875–4882.

13. Вадди Р.С., Гуан Ю., Новоселов И. Динамика частиц в электрогидродинамическом потоке, индуцированном короной. Препринт arXiv arXiv: 1986. 2019 ;.

18. Townsend JS. Электричество в газах; 1915.

23. Вадди Р.С., Гуан Ю., Мамишев А., Новоселов И. Аналитическая модель электрогидродинамической тяги. Препринт arXiv arXiv: 200211662. 2020 ;.

30. Дрю Д.С., Пистер К.С. Первый взлет летающего микроробота без движущихся частей. В: Международная конференция по манипуляции, автоматизации и робототехнике в малых масштабах, 2017 г. (MARSS). IEEE; 2017. с. 1–5.

33. Дрю Д.С., Пистер К.С. ВЗЛЕТ ЛЕТУЩЕГО МИКРОРОБОТА С НАГРУЗКОЙ ДАТЧИКА COTS С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УПРАВЛЕНИЯ, ПРОИЗВОДИМОЙ СУБМИЛЛИМЕТРОВЫМ КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ.

34. Баласубраманян С., Чукевад Ю.М., Джеймс Дж. М., Барроуз Г.Л., Фуллер С.Б. Робот в форме насекомых, который использует встроенную бортовую камеру и нейронную сеть для классификации и реагирования на визуальный ввод.В: 7-я Международная конференция IEEE по биомедицинской робототехнике и биомехатронике, 2018 г. (Biorob). IEEE; 2018. с. 1297–1302.

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Одноступенчатый рост легированных многослойных пленок MoS2 сантиметрового масштаба методом импульсного лазерно-индуцированного синтеза

Недавно двумерный MoS ₂ привлек интерес для приложений в электронике, оптике, накоплении энергии и катализе.Кроме того, легирование MoS ₂ n-типом или p-типом может привести к улучшенным свойствам пленки, тем самым расширяя диапазон применимости. Однако быстрое получение крупномасштабных пленок MoS ₂ и эффективное легирование таких пленок остаются сложной задачей. Здесь мы сообщаем об одностадийном методе выращивания, называемом импульсным лазерно-индуцированным синтезом (PLIS), который может решить эти проблемы и может быстро (5–10 мин) приготовить пленки MoS сантиметрового масштаба ₂ непосредственно и выборочно на пленке субстрат.Непрерывная длина до 1,412 см может быть достигнута с пленками MoS ₂ , полученными описанными методами. Кроме того, было реализовано in situ легирование благородных металлов (Au, Pt и Pd) для преобразования MoS ₂ в полупроводник p-типа, что согласуется с результатами, полученными на основе расчетов из первых принципов. Из изображений, полученных с помощью STEM, видно, что в легированных пленках MoS ₂ происходят явления модификации поверхности и замещения катионов.Легированные пленки MoS ₂ были дополнительно переработаны в полевой транзистор p-типа с отношением включения / выключения 10 ⁵ . Важно отметить, что этот метод может быть применен к дихалькогенидам других переходных металлов (TMDC) при использовании различных легирующих элементов; Эта схема обеспечивает инновационный метод масштабирования производства и легирования больших площадей тонких пленок TMDC.

У вас есть доступ к этой статье

Моделирование и симуляция космического лазерного сантиметрового обнаружения космического мусора на орбите

Прямая лазерная запись в кристалле акустического микромиксера сантиметрового масштаба — Отпечаток пальца — Исследовательская информация Университета Твенте

• Сортировать по
• Масса
• По алфавиту

Химические соединения

• Акустическая потоковая передача 100%
• акриловая кислота 85%
• Фотоны 69%
• Полимеризация 65%
• Микроканалы 64%
• Ультразвук 50%
• Акустика 48%
• Лазеры 44%
• Изготовление 43%

Физика и астрономия

• акрилаты 71%
• микроканалы 62%
• срабатывание 62%
• полимеризация 55%
• гибкость 53%
• чипсы 46%
• ультразвук 44%
• изготовление 35%
• акустика 33%
• фотоны 32%
• лазеры 25%

Инженерное дело и материаловедение

• Акустическая потоковая передача 100%
• Фотоны 69%
• Полимеризация 65%
• Микроканалы 64%
• Ультразвук 50%
• Акустика 48%
• Лазеры 44%
• Изготовление 43%

Отслеживание космического мусора на орбите Земли с точностью до сантиметра с использованием эффективных лазерных технологий

Неконтролируемые летающие объекты на орбите представляют собой огромный риск для современных космических путешествий, и, в связи с нашей сегодняшней зависимостью от спутников, это также риск для мировой экономики. Исследовательская группа Института прикладной оптики и точного машиностроения им. Фраунгофера IOF в Йене, Германия, специально разработала волоконный лазер, который надежно определяет положение и направление движения космического мусора, чтобы снизить эти риски.

Космический мусор — серьезная проблема при космических полетах на низкой околоземной орбите.Списанные или поврежденные спутники, фрагменты космических станций и другие остатки космических миссий ежедневно создают потенциальную угрозу столкновения с активными спутниками и космическими кораблями. Помимо своей разрушительной силы, столкновения также создают дополнительный риск создания тысяч новых обломков, которые, в свою очередь, могут столкнуться с другими объектами — опасный эффект снежного кома.

Сегодня мировая экономика в значительной степени зависит от спутников и их функций — эти приложения, например, используются в телекоммуникациях, передаче телевизионных сигналов, навигации, прогнозировании погоды и исследованиях климата.Повреждение или разрушение таких спутников в результате столкновения с орбитальными спутниками или остатками ракет может нанести огромный и долговременный ущерб. Следовательно, необходимо надежно отслеживать и регистрировать опасный космический мусор, прежде чем можно будет рассматривать какие-либо меры по их утилизации или другие контрмеры. Специалисты Fraunhofer IOF в Йене разработали лазерную систему, которая идеально подходит для этой задачи.

Надежная регистрация положения и движения объектов на орбите Земли

«С помощью нашей надежной и эффективной системы мы можем надежно и точно определять точное положение и направление движения объектов по орбите», — поясняет д-р.Томас Шрайбер из группы волоконных лазеров Fraunhofer IOF. «Лазерные системы, подобные нашей, должны быть исключительно мощными, чтобы выдерживать экстремальные условия в космосе. В частности, высокие физические нагрузки на ракету-носитель во время запуска, когда технология подвергается очень сильным вибрациям». На низкой околоземной орбите. , высокий уровень радиационного облучения, резкие колебания температуры и низкое энергопотребление — столь же серьезные препятствия, которые необходимо преодолеть. Это потребовало новой разработки исследовательской группы Йены, поскольку обычные лазерные технологии не могут справиться с этими проблемами.

Кроме того, необходимо также анализировать космический мусор на сравнительно больших расстояниях. Для этого лазерный импульс проходит через усилитель на основе стекловолокна и отправляется в путь на несколько километров.

Измерения с помощью десяти тысяч лазерных импульсов в секунду

«Очень короткие лазерные импульсы, длящиеся всего несколько миллиардных долей секунды, выстреливаются в разных положениях в космосе, чтобы определить скорость, направление движения и вращательное движение объектов», — объясняет д-р.Доктор Оливер де Врис. «Наша лазерная система позволяет генерировать тысячи импульсов в секунду. Если объект действительно находится в одной из исследуемых позиций, часть излучения отражается обратно в специальный сканер, который непосредственно интегрирован в систему. Даже хотя лазерный луч очень быстрый, излучаемому свету требуется некоторое время, чтобы добраться до объекта и обратно.Это так называемое «время полета» затем может быть преобразовано в расстояние и реальную трехмерную координату соответственно. » Сложные датчики системы, которые собирают отраженные световые рефлексы, могут обнаруживать даже миллиардные доли отраженного света.

Принцип, первоначально разработанный двумя исследователями Fraunhofer IOF для Jena-Optronik и Немецкого аэрокосмического центра (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR), уже был успешно испытан во время стыковочного маневра космического транспортера на Международной космической станции. МКС. Ранее лазерная система была установлена ​​в датчике тюрингской аэрокосмической компании Jena-Optronik GmbH и была запущена в 2016 году с автономным транспортером питания ATV-5.Система Jena Optronik также отличается высокой энергоэффективностью: волоконный лазер работает с общей мощностью менее 10 Вт, что значительно меньше, чем, например, у коммерческого портативного компьютера.

Ссылка : Отслеживание космического мусора на орбите Земли с точностью до сантиметра с использованием эффективных лазерных технологий (2017, 1 сентября) получено 24 августа 2021 г.