فهرست مطالب
دانشمندان دانشگاه سینسیناتی موفق به ساخت پهپادی بال‌زن شده‌اند که می‌تواند مانند یک شب‌پره و بدون نیاز به هوش مصنوعی، منبع نور را شناسایی کرده و در اطراف آن شناور بماند.
به گزارش تکناک، این پروژه را دکتر سامح عیسی، استاد دانشکده مهندسی و علوم کاربردی این دانشگاه، رهبری می‌کند. هدف او و تیمش، توسعه پهپادهای کوچک و کم‌مصرفی است که بتوانند در ماموریت‌های نظارتی یا عملیات‌های مخفی، با کمترین انرژی ممکن پرواز کنند. به گفته عیسی، کلید این پیشرفت در تقلید از سازوکار پرواز حشرات نهفته است. او می‌گوید: «ما به دنبال طراحی‌هایی در مقیاس کوچک هستیم. برای این ابعاد، بهترین الگو در طبیعت شب‌پره‌ها هستند.»
شب‌پره‌ها و بسیاری از حشرات قادرند در میانه هوا بی‌حرکت بمانند، حتی در جهت مخالف پرواز کنند و با دقتی غریزی خود را با جریان هوا و موانع هماهنگ سازند. پهپاد شب‌پره‌ای نیز همین ویژگی را تقلید می‌کند و با تنظیمات دقیق و پیوسته، حتی زمانی که نور در حال حرکت است، فاصله و زاویه خود را از منبع نور حفظ می‌کند.
آزمایشگاه مدلسازی، دینامیک و کنترل تحت نظر عیسی بر مهندسی الهام‌گرفته از حیوانات تمرکز دارد. پیش‌تر، این گروه روی پهپادهایی کار کرده بود که مانند آلباتروس‌ها می‌توانستند با استفاده از جریان باد، مسیرهای طولانی را با حداقل مصرف انرژی طی کنند. پهپاد تازه، از پرواز شناور و چابک حشرات الهام گرفته است. عیسی و دانشجوی دکترای او، احمد الگوهری، این پدیده را با استفاده از چارچوبی ریاضی به نام بازخورد جست‌وجوی بیشینه (Extremum-Seeking Feedback) توضیح می‌دهند.
به باور آنها، همین نوع بازخورد طبیعی است که به حشرات اجازه می‌دهد بدون مغزی بزرگ و بدون الگوریتم‌های پیچیده، در آسمان تعادل خود را حفظ کنند. الگوهری در توضیح یافته‌ها می‌گوید: «شبیه‌سازی‌های ما نشان می‌دهد که کنترل مبتنی بر جست‌وجوی بیشینه می‌تواند رفتار پایدار پرواز در حشرات را بازسازی کند بی‌آن‌که نیازی به هوش مصنوعی یا مدلسازی سنگین داشته باشد.» او در ادامه افزود: «این سیستم بر پایه بازخوردی ساده و بی‌درنگ عمل می‌کند؛ اصلی که شاید راز پرواز شگفت‌انگیز موجودات کوچک در دل طبیعت باشد.»
01
از 02کنترل پهپاد شب‌پره‌ای بدون هوش مصنوعی
برخلاف پهپادهای معمولی که وابسته به GPS یا الگوریتم‌های هوش مصنوعی هستند، این پهپاد شب‌پره‌ای توانایی تنظیم پرواز خود را در زمان واقعی و از طریق اندازه‌گیری مداوم عملکرد دارد. سیستم بازخورد مداوم، مسیر و موقعیت پهپاد را برای هدف مشخص (در اینجا منبع نور) بهینه می‌کند.
بال‌های پهپاد به‌صورت مستقل عمل می‌کنند و حرکت سریع بال‌ها مشابه بال‌های مرغ مگس‌خوار، برای چشم انسان به‌صورت محو دیده می‌شود. حلقه بازخورد پهپاد امکان شناوری پایدار را فراهم می‌کند و حتی نوسانات ظریف پرواز حشرات و پرندگان کوچک مانند شب‌پره‌ها، زنبورها، سنجاقک‌ها، مگس‌های شناور و مرغ مگس‌خوارها را تقلید می‌کند.
الگوهری و دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه سینسیناتی، روهان پالانیکومار، پهپاد شب‌پره‌ای را در آزمایشگاه پرواز دکتر عیسی به نمایش گذاشتند؛ فضایی تورپوشیده که امنیت ماشین و اپراتورها را تضمین می‌کند. این پهپاد چهار باله، ساخته شده از سیم و پارچه، با استفاده از سیستم جست‌وجوی بیشینه پرواز کرده و موقعیت خود را حفظ می‌کند.
الگوهری می‌گوید، کنترل دستی پهپاد بسیار دشوارتر و ناپایدارتر خواهد بود. لرزش کوچک حین پرواز یک نقص نیست؛ بلکه جزئی از فرآیند است. این نوسانات ظریف به پهپاد امکان می‌دهد عملکرد خود را ارزیابی کند و تنظیمات ریز برای پایداری و جهت‌گیری را در لحظه اعمال نماید.
02
از 02الهام از طبیعت
حشرات شناوری مانند مرغ مگس‌خوار شفاف بال بال‌های خود را به شکل عدد هشت حرکت می‌دهند و در هر ضربه، نیروی بالابر ایجاد می‌کنند. بال‌های انعطاف‌پذیر آنها با هر حرکت تغییر شکل یافته و کنترل و چابکی فوق‌العاده‌ای به حشرات می‌دهد؛ اصلی که اکنون مهندسان دانشگاه سینسیناتی در طراحی پهپادها و ربات‌های بال‌زن به کار می‌گیرند.
دکتر عیسی معتقد است که پیامدهای این کشف فراتر از پهپادها است: «این تحقیق می‌تواند درک ما از بیوفیزیک را تغییر دهد. اگر حشرات شناور مانند شب‌پره‌ها از معادل بازخورد جست‌وجوی بیشینه استفاده می‌کنند، احتمالاً چنین مکانیزمی در موجودات دیگر نیز تکامل یافته است.»
با مطالعه کوچک‌ترین پرندگان و حشرات پرنده، پژوهشگران دانشگاه سینسیناتی نشان می‌دهند که چگونه دقت و پایداری از سادگی ناشی می‌شود و درس‌هایی ارائه می‌کنند که می‌تواند مسیر فناوری پهپادها و حتی فهم بنیادی پرواز را متحول کند. این مطالعه در مجله معتبر Physical Review E منتشر شده است.
