پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مدرسه پلیتکنیک فدرال لوزان سوئیس (EPFL) موفق شدهاند پهپاد دوزیست FAAV را توسعه دهند که میتواند همانند طوطی دریایی (پافین) هم در هوا پرواز و هم در زیر آب شنا کند.
به گزارش سرویس هوافضای تکناک، پهپاد دوزیست که تنها ۳۰۰ گرم وزن دارد، بدون نیاز به سازوکارهای پیچیده تغییر شکل، از آب خارج میشود و مستقیماً به پرواز درمیآید. محققان معتقد هستند این فناوری میتواند آینده مأموریتهای اقیانوسشناسی، پایش محیط زیست دریایی و عملیات تحقیقاتی در مناطق صعبالعبور را متحول کند.
دانشمندان سالها است که تلاش میکنند وسیلهای رباتیک طراحی کنند که بتواند در دو محیط کاملاً متفاوت، یعنی هوا و آب، عملکرد مؤثری داشته باشد. بسیاری از نمونههای آزمایشی برای انجام این کار به بالهای تاشو، ملخهای جداگانه یا سامانههای مکانیکی پیچیده نیاز داشتند که وزن، هزینه و مصرف انرژی را افزایش میداد. اما پژوهشگران MIT و EPFL با بررسی دقیق رفتار پرندگان دریایی دریافتند که طبیعت، راهکاری بسیار سادهتر و کارآمدتر ارائه کرده است.
الهامبخش اصلی این پروژه، طوطی دریایی (پافین) بوده است؛ پرندهای که با همان بالهایی که در آسمان پرواز میکند، در زیر آب نیز مانند یک شناگر حرفهای حرکت میکند. این ویژگی باعث شد تیم تحقیقاتی ایده ساخت رباتی را دنبال کند که بدون تغییر ساختار فیزیکی خود، تنها با تغییر نحوه استفاده از بالها بتواند میان هوا و آب جابهجا شود.
پهپاد دوزیست جدید که با نام Flapping-Wing Aerial-Aquatic Vehicle (FAAV) معرفی شده است، از یک بدنه مرکزی، دو بال انعطافپذیر و یک دم قابل هدایت تشکیل شده است. وزن این سامانه کمتر از ۳۰۰ گرم است و یک موتور الکتریکی ضدآب کوچک به همراه یک میللنگ مکانیکی، نیروی لازم را برای حرکت بالها تأمین میکند. همین طراحی ساده باعث شده است که ربات بدون نیاز به موتورهای جداگانه برای هر محیط، هم در آب و هم در هوا حرکت کند.
پژوهشگران آزمایشهای میدانی این ربات را در دریاچه ژنو انجام دادند. در این آزمایشها، ربات ابتدا در زیر آب حرکت کرد، سپس با بال زدن به سمت سطح آب شنا کرد، از سطح عبور کرد و بلافاصله وارد آسمان شد. این انتقال مستقیم از محیط آبی به محیط هوایی، یکی از دشوارترین چالشهای مهندسی در طراحی وسایل دوزیست به حساب میآید و موفقیت آن نشان میدهد که طراحی جدید عملکرد قابل اعتمادی دارد.
«رافائل زوفره»، استادیار مهندسی مکانیک MIT و یکی از اعضای اصلی این پروژه، درباره چشمانداز این فناوری گفت که هدف نهایی تیم تحقیقاتی، ارائه ابزاری ارزانقیمت و خودکار برای اقیانوسشناسان، زیستشناسان دریایی و ساکنان مناطق ساحلی است. به گفته او، کاربران میتوانند این ربات را از روی قایق یا از ساحل به پرواز درآورند تا به منطقه مورد نظر برسد، سپس ربات در آب فرود بیاید، نمونهبرداری یا اندازهگیری انجام دهد و دوباره به پرواز درآید تا اطلاعات جمعآوریشده را به پایگاه بازگرداند. پس از آن نیز میتواند بدون نیاز به دخالت انسان، مأموریت بعدی خود را آغاز کند.
در مراحل ابتدایی طراحی، مهندسان تصور میکردند که پهپاد دوزیست FAAV به مکانیزمهای تغییر شکل پیچیده نیاز دارد. اما بررسی رفتار چندین گونه پرنده دریایی، از جمله ماهیخورک، پترل و طوطی دریایی، نتیجه متفاوتی را نشان داد. دادههای زیستی آشکار کرد که بسیاری از پرندگان کوچک هنگام ورود به آب یا خروج از آن، ساختار بدن خود را تغییر نمیدهند، بلکه تنها سرعت و دامنه حرکت بالها را تنظیم میکنند.
مطالعات نشان داد که طوطی دریایی هنگام پرواز در هوا حدود ۱۰ بار در هر ثانیه بال میزند، اما هنگام شنا در زیر آب این عدد به حدود چهار بار در ثانیه کاهش پیدا میکند. این تغییر ساده باعث میشود همان بالها بتوانند در هر دو محیط، نیروی رانش تولید کنند.
مهندسان نیز همین الگو را در ربات خود پیادهسازی کردند. بالهای ربات با پوششی از نانوذرات ساخته شدهاند که علاوه بر مقاومت در برابر آب، انعطاف بالایی نیز دارند. این بالها با سرعت ثابت حدود پنج بار در هر ثانیه حرکت میکنند. انعطاف مناسب آنها باعث میشود که در زیر آب دامنه حرکت کاهش پیدا کند تا مقاومت آب کمتر شود، اما در هوا نیز به اندازه کافی سفت باقی بمانند تا نیروی برآر لازم برای پرواز تولید شود.
این پهپاد دوزیست در زیر آب با سرعت حدود یک متر بر ثانیه حرکت میکند و در آسمان به سرعت تقریبی شش متر بر ثانیه میرسد. اگرچه این سرعتها در مقایسه با پهپادهای متداول بالا نیست، اما برای انجام مأموریتهای علمی، تصویربرداری و نمونهبرداری کاملاً مناسب ارزیابی میشود.
یکی از پیچیدهترین بخشهای پروژه، حل مشکل خروج از آب بود. کشش سطحی آب مانند یک مانع نامرئی عمل میکند و عبور از آن به انرژی زیادی نیاز دارد. پژوهشگران پس از آزمایشهای متعدد دریافتند که بهترین زاویه برای خروج از آب حدود ۷۰ درجه است. اگر زاویه حرکت کمتر باشد، آب نوک بالها را در خود نگه میدارد و مانع برخاستن میشود. اگر زاویه بیشتر باشد، ربات به عقب واژگون میشود و کنترل خود را از دست میدهد.
نتیجه جالب دیگر این پژوهش، حذف کامل نیاز به پا برای برخاستن از سطح آب بود. در طبیعت، طوطیهای دریایی و اردکها هنگام برخاستن از آب با پاهای پردهدار خود به سطح آب نیرو وارد میکنند تا کشش سطحی را بشکنند. اما تیم تحقیقاتی نشان داد که ربات تنها با انتخاب مناسب اندازه بالها، فرکانس بال زدن و زاویه دم میتواند بدون هیچ سامانه کمکی از آب جدا شود. این دستاورد میتواند طراحی نسل آینده رباتهای دوزیست را سادهتر و سبکتر کند.
پژوهشگران اکنون در آزمایشگاه AURA مؤسسه MIT روی نسل جدید این ربات کار میکنند. نسخههای آینده به بالهایی مجهز خواهند شد که علاوه بر بال زدن، قابلیت پیچش و تغییر زاویه نیز دارند. این قابلیت به ربات اجازه میدهد در بادهای شدید، امواج بلند و شرایط متغیر ساحلی، پایداری بیشتری داشته باشد و مأموریتهای طولانیتری را انجام دهد.
در حال حاضر، بخش بزرگی از دادههای علمی اقیانوسها با استفاده از کشتیهای تحقیقاتی بزرگ جمعآوری میشود. این شناورها هزینه عملیاتی بالایی دارند و ورود آنها به مناطق کمعمق، صخرههای مرجانی، یخهای شناور یا زیستگاههای حساس دریایی همواره امکانپذیر نیست. پژوهشگران معتقد هستند پهپاد دوزیست FAAV میتواند این محدودیتها را تا حد زیادی برطرف کند. این پهپاد دوزیست قادر است چندین بار در روز میان پایگاههای تحقیقاتی و مناطق هدف رفتوآمد کند، به صورت خودکار نمونهبرداری انجام دهد و دادهها را با هزینهای بسیار کمتر از روشهای سنتی در اختیار دانشمندان قرار دهد؛ قابلیتی که میتواند فصل تازهای را در پایش هوشمند اقیانوسها و حفاظت از اکوسیستمهای دریایی رقم بزند.
