پهپادِ پرندهٔ EPFL: از راه رفتن تا پرواز با الهام از کلاغ‌ها! 🤖🐦

ساخت پهپاد چندکاره با الگوبرداری از پرندگان توسط پژوهشگران EPFL

پژوهشگران دانشگاه EPFL یک پهپاد طراحی کرده‌اند که قادر به راه رفتن، پریدن و پرواز است، با کمک پاهایی که شبیه پاهای پرندگان طراحی شده‌اند. این نوآوری، به طور قابل توجهی، دایره‌ی محیط‌های قابل دسترس برای وسایل نقلیه‌ی هوایی بدون سرنشین را گسترش می‌دهد. عبارت «به طور مستقیم» یک اصطلاح رایج است که به کوتاه‌ترین فاصله‌ی بین دو نقطه اشاره دارد، اما آزمایشگاه سامانه‌های هوشمند (LIS) به رهبری داریو فلوریانو در دانشکده‌ی مهندسی EPFL، این عبارت را به طور عینی با طراحی RAVEN (وسیله‌ی نقلیه‌ی رباتیک الهام گرفته از پرندگان برای محیط‌های متعدد) به کار بسته است.

این پهپاد بر اساس پرندگان نشسته‌نگر مثل کلاغ‌ها و زاغ‌ها که دائم بین آسمان و زمین در تردد هستند، طراحی شده است. پاهای رباتیک چندکاره‌ی این پهپاد، به آن این امکان را می‌دهد که به شکل خودکار در محیط‌هایی که قبلاً برای پهپادهای دارای بال غیرقابل دسترس بودند، پرواز کند. وان دونگ شین، دانشجوی دکتری LIS می‌گوید: «پرندگان در ابتدا، منبع الهام هواپیماها بودند و برادران رایت این رویا را به واقعیت تبدیل کردند، اما حتی هواپیماهای امروزی هم هنوز از توانایی‌های پرندگان فاصله زیادی دارند.» او ادامه می‌دهد: «پرندگان می‌توانند از راه رفتن، به دویدن و سپس پرواز و بازگشت به زمین بپردازند، بدون نیاز به باند فرود یا پرتاب‌کننده. پلتفرم‌های مهندسی برای این نوع حرکات، هنوز در حوزه‌ی رباتیک وجود ندارد.»

طراحی RAVEN به گونه‌ای است که تنوع حرکتی را به حداکثر برساند و همزمان، وزن را به حداقل برساند. شین با الهام از نسبت‌های پاهای پرندگان و مشاهدات طولانی‌مدت از کلاغ‌ها در محوطه‌ی دانشگاه EPFL، مجموعه‌ای از پاهای رباتیک چندکاره را برای یک پهپاد با بال ثابت طراحی کرده است. او از ترکیبی از مدل‌سازی‌های ریاضی، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و آزمون و خطاهای عملی برای رسیدن به یک تعادل بهینه بین پیچیدگی پا و وزن کلی پهپاد (۰.۶۲ کیلوگرم) استفاده کرده است.

پاهای طراحی شده، به گونه‌ای هستند که قسمت‌های سنگین‌تر را نزدیک به «بدنه» نگه می‌دارند، در حالی که ترکیبی از فنرها و موتورها، عملکرد تاندون‌ها و ماهیچه‌های قوی پرندگان را تقلید می‌کند. پاهای سبک و الهام گرفته شده از پرندگان که از دو ساختارِ مفصلی تشکیل شده‌اند، از یک مفصل الاستیک غیرفعال بهره می‌برند که از حالت‌های گوناگون برای راه‌رفتن، پریدن و جهش پشتیبانی می‌کند.

پژوهش در مورد ربات‌های پرنده و طراحی سامانه‌های رباتیک سبک‌وزن

فلوریانو می‌گوید: «تبدیل پاهای پرنده‌ها به یک سامانه‌ی رباتیک سبک‌وزن، ما را با چالش‌های طراحی، یکپارچه‌سازی و کنترل مواجه کرد که پرندگان به طور حیرت‌انگیزی در طول تکامل خود، آن را حل کرده‌اند.» او ادامه می‌دهد: «این موضوع نه تنها ما را به طراحی پیشرفته‌ترین پهپاد بال‌دار چندکاره تا به امروز سوق داد، بلکه به ما کمک کرد تا بر راندمان انرژی پرش، برای برخاستن در پرنده‌ها و پهپادها نیز نور بیفکنیم.» این تحقیق در مجله‌ی نیچر به چاپ رسیده است.

دسترسی بهتر برای محموله‌ها یا کمک‌های فوری

ربات‌های قبلی که برای راه‌رفتن طراحی شده بودند، آن‌قدر سنگین بودند که نمی‌توانستند بپرند، در حالی که ربات‌هایی که برای پریدن طراحی شده بودند، پاهایی مناسب برای راه‌رفتن نداشتند. طراحی منحصر به فرد RAVEN به آن اجازه می‌دهد تا راه برود، از شکاف‌های زمین عبور کند و حتی به سطحی مرتفع به ارتفاع ۲۶ سانتی‌متر بپرد.

دانشمندان همچنین با روش‌های گوناگون شروع پرواز، از جمله برخاستن ایستاده و سقوط آزاد، آزمایش کردند و دریافتند که پریدن به سمت پرواز، بهترین استفاده را از انرژی جنبشی (سرعت) و انرژی پتانسیل (بالا رفتن از ارتفاع) می‌کند.

همکاری با آزمایشگاه‌های بیوروباتیک و نورومکانیک

پژوهشگران LIS با آوک ایسپیر از آزمایشگاه بیوروباتیک EPFL و با آزمایشگاه نورومکانیک مونیکا دالی در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین، همکاری کردند تا بیومکانیک پرندگان را با حرکت رباتیک تطبیق دهند. علاوه بر روشن کردن هزینه‌ها و مزایای پاهای قوی در پرندگانی که پیوسته بین آسمان و زمین در رفت‌ و آمد هستند، نتایج این تحقیق یک طراحی سبک‌وزن را برای پهپادهای بال‌داری ارائه می‌دهد که می‌توانند در زمین‌های ناهموار حرکت کنند و از جاهای محدود و بدون دخالت انسان، بلند شوند.

این قابلیت‌ها، استفاده از چنین پهپادهایی را در بازرسی، کاهش خطرات و تحویل در مناطق محدود، ممکن می‌سازد. تیم EPFL در حال حاضر، روی بهبود طراحی و کنترل پاها برای سهولت فرود در محیط‌های گوناگون، کار می‌کند.

درک بهتر از طراحی و کنترل در پرندگان و پهپادها

فلوریانو می‌گوید: «بال‌های پرندگان، معادل پاهای جلویی در چهارپایان زمینی هستند، اما اطلاعات کمی در مورد هماهنگی پاها و بال‌ها در پرندگان وجود دارد – چه برسد به پهپادها. این نتایج تنها یک گام اولیه به سمت درک بهتر اصول طراحی و کنترل حیوانات پرنده‌ی چندکاره و تبدیل آن‌ها به پهپادهای چابک و با بازدهی انرژی بالا است.»