پهپاد پرنده‌وار: جهشی برای شروع پرواز!

ساخت پهپاد چندمنظوره با الهام از پرندگان توسط محققان EPFL

محققان دانشگاه EPFL یک پهپاد طراحی کرده‌اند که می‌تواند راه برود، بپرد و با کمک پاهای شبیه پرندگان به پرواز درآید. این نوآوری به طور قابل توجهی دامنه محیط‌های قابل دسترس برای وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین را گسترش می‌دهد. عبارت «به‌طور مستقیم» یک اصطلاح رایج است که به کوتاه‌ترین فاصله بین دو نقطه اشاره دارد، اما آزمایشگاه سیستم‌های هوشمند (LIS) به رهبری داریو فلورئانو در دانشکده مهندسی EPFL این عبارت را به‌طور واقعی با طراحی RAVEN (وسیله نقلیه رباتیک الهام‌گرفته از پرندگان برای محیط‌های متعدد) به کار گرفته است.

این پهپاد بر اساس پرندگان نشسته مانند کلاغ‌ها و زاغ‌ها که به‌طور مکرر بین هوا و زمین جابجا می‌شوند، طراحی شده است. پاهای رباتیک چندمنظوره این پهپاد به آن اجازه می‌دهد تا به‌طور خودکار در محیط‌هایی که قبلاً برای پهپادهای بالدار غیرقابل دسترس بودند، به پرواز درآید. وان دونگ شین، دانشجوی دکتری LIS می‌گوید: «پرندگان در ابتدا الهام‌بخش هواپیماها بودند و برادران رایت این رویا را به حقیقت تبدیل کردند، اما حتی هواپیماهای امروزی هنوز هم از توانایی‌های پرندگان فاصله زیادی دارند.» او ادامه می‌دهد: «پرندگان می‌توانند از راه رفتن به دویدن و سپس به پرواز و دوباره به زمین برگردند، بدون نیاز به باند فرود یا پرتاب‌کننده. پلتفرم‌های مهندسی برای این نوع حرکات هنوز در رباتیک وجود ندارد.»

طراحی RAVEN به‌گونه‌ای است که تنوع حرکتی را به حداکثر می‌رساند و در عین حال وزن را به حداقل می‌رساند. شین با الهام از نسبت‌های پاهای پرندگان و مشاهدات طولانی‌مدت از کلاغ‌ها در محوطه دانشگاه EPFL، مجموعه‌ای از پاهای رباتیک چندمنظوره را برای یک پهپاد بال ثابت طراحی کرده است. او از ترکیبی از مدل‌های ریاضی، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و آزمایش‌های تجربی برای دستیابی به تعادل بهینه بین پیچیدگی پا و وزن کلی پهپاد (۰.۶۲ کیلوگرم) استفاده کرده است.

پاهای طراحی‌شده به گونه‌ای هستند که اجزای سنگین‌تر را نزدیک به «بدن» نگه می‌دارند، در حالی که ترکیبی از فنرها و موتورها، تاندون‌ها و عضلات قوی پرندگان را تقلید می‌کند. پاهای سبک و الهام‌گرفته از پرندگان که از دو ساختار مفصلی تشکیل شده‌اند، از یک مفصل الاستیک غیرفعال بهره می‌برند که از وضعیت‌های متنوع برای راه رفتن، پریدن و جهش پشتیبانی می‌کند.

تحقیق در مورد ربات‌های پرنده و طراحی سیستم‌های رباتیک سبک

فلورئانو می‌گوید: “ترجمه پاها و پاهای پرندگان به یک سیستم رباتیک سبک ما را با چالش‌های طراحی، یکپارچه‌سازی و کنترل مواجه کرد که پرندگان به‌طور شگفت‌انگیزی در طول تکامل خود حل کرده‌اند.” او ادامه می‌دهد: “این موضوع نه تنها ما را به طراحی پیشرفته‌ترین پهپاد بالدار چندمنظوره تا به امروز هدایت کرد، بلکه به ما کمک کرد تا بر کارایی انرژی پرش برای برخاستن در پرندگان و پهپادها نیز نور بیفکنیم.” این تحقیق در مجله نیچر منتشر شده است.

دسترسی بهتر برای تحویل‌ها یا کمک‌های اضطراری

ربات‌های قبلی که برای راه رفتن طراحی شده بودند، به قدری سنگین بودند که نمی‌توانستند بپرند، در حالی که ربات‌هایی که برای پرش طراحی شده بودند، پاهایی مناسب برای راه رفتن 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 حالت‌های مختلف آغاز پرواز، از جمله برخاستن ایستاده و سقوط، آزمایش کردند و دریافتند که پرش به پرواز، بهترین استفاده را از انرژی جنبشی (سرعت) و انرژی پتانسیل (افزایش ارتفاع) می‌کند.

همکاری با آزمایشگاه‌های بیوروباتیک و نورومکانیک

محققان LIS با آوک ایسپیر از آزمایشگاه بیوروباتیک EPFL و با آزمایشگاه نورومکانیک مونیكا دالی در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین همکاری کردند تا بیومکانیک پرندگان را به حرکت رباتیک تطبیق دهند. علاوه بر روشن کردن هزینه‌ها و مزایای پاهای قوی در پرندگانی که به‌طور مکرر بین هوا و زمین انتقال می‌یابند، نتایج این تحقیق طراحی سبکی برای پهپادهای بالدار ارائه می‌دهد که می‌توانند در زمین‌های ناهموار حرکت کنند و از مکان‌های محدود بدون دخالت انسان برخاست کنند.

این قابلیت‌ها امکان استفاده از چنین پهپادهایی را در بازرسی، کاهش خطرات و تحویل در مناطق محدود فراهم می‌کند. تیم EPFL در حال حاضر بر روی بهبود طراحی و کنترل پاها برای تسهیل فرود در محیط‌های مختلف کار می‌کند.

درک بهتر از طراحی و کنترل در پرندگان و پهپادها

فلورئانو 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 پرنده چندمنظوره و ترجمه آن‌ها به پهپادهای چابک و با کارایی انرژی بالا است.”