Как ученые заставили микродроны работать часы напролет

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего и CEA-Leti придумали, как сделать крошечные устройства, например микродроны, легкими, компактными и при этом долго работающими без подзарядки.

Они разработали новую схему с миниатюрными батареями, которая сочетает высокую мощность и малый вес. Результаты покажут на конференции IEEE в Сан-Франциско с 16 по 20 февраля.

Микродроны могут помочь спасателям в катастрофах. Например, если здание рухнет, большие роботы не пролезут в узкие щели, а маленькие дроны смогут. Они настолько малы, что поместятся на ногте, и смогут искать людей или проверять, нет ли опасных веществ.

Но есть проблема: для долгого полета нужна мощная батарея, а она тяжелая. Сейчас микродроны летают всего несколько минут.

Чтобы увеличить время полета, нужно сделать легче все части устройства, включая батарею и электронику, — говорит Патрик Мерсье, профессор Калифорнийского университета.

Это сложный баланс.

Обычно микродроны используют пьезоэлектрические двигатели, которым нужно высокое напряжение — десятки или сотни вольт. Но обычные батареи дают только 4 вольта. Чтобы повысить напряжение, нужны большие детали, которые добавляют вес.

Мерсье и его команда, включая аспиранта Зиксиао Лина, решили использовать твердотельные батареи. Их можно разрезать на мелкие части, и каждая будет такой же мощной, как большая батарея.

Мы берем одну батарею и режем ее на 10, 20 или больше частей, — говорит Мерсье. — Каждая часть сохраняет ту же мощность.

Затем они создали схему, где батареи могут подключаться по-разному: последовательно (чтобы увеличить напряжение) или параллельно (чтобы увеличить емкость). Например, если дрону нужно больше напряжения, батареи подключаются последовательно. Если нужно больше энергии, их подключают параллельно. Переключение происходит за миллисекунды, и это не добавляет веса.

Система также умеет возвращать энергию. Когда микроактюатор работает, он заряжает батареи обратно, как в электромобилях с рекуперативным торможением.

Мы можем эффективно управлять микроактюатором и возвращать часть энергии, чтобы батарея работала дольше, — говорит Мерсье.

С 18 батареями система выдавала до 56,1 вольта и работала больше 50 часов. Вес системы — всего 1,8 грамма. С новыми батареями от CEA-Leti вес снизился до 14 миллиграммов.

Наша идея может масштабироваться под разные задачи, — говорит Гаэль Пильонне из CEA-Leti.

Предстоит следующий шаг — испытать систему на реальном микродроне. Потом ученые улучшат батареи и увеличат напряжение.

Ранее ученые предложили новые подходы к стабилизации дронов.

Фото: старший автор Патрик Мерсье (слева), профессор кафедры электротехники и вычислительной техники, и первый автор Зиксяо Лин, аспирант кафедры электротехники, оба из Калифорнийского университета в Сан-Диего, проверяют систему вождения на тестовой платформе. Источник: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

18.02.2025