Det amfibiske fly, der er udviklet af EPFL og MIT, er inspireret af dykkende dyr: det letter, dykker, kommer op til overfladen og vender tilbage til luften uden at ændre fremdrift.

At krydse grænsen mellem luft og vand repræsenterer en af ​​de mest komplekse udfordringer inden for robotteknologi. De to miljøer har dybt forskellige fysiske egenskaber: vand er omkring tusind gange tættere end luft og kræver helt forskellige fremdrifts-, kontrol- og energiforbrugsstrategier. Af denne grund har amfibierobotter, der er udviklet til dato, generelt brugt separate systemer til flyvning og svømning, eller har været nødt til at stole på propeller, pontoner eller affyringsrampe for at vende tilbage til luften.

En gruppe forskere fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) og Massachusetts Institute of Technology (MIT) har i stedet vist, at det er muligt at håndtere begge bevægelsesmåder med en enkelt mekanisk arkitektur. Resultatet er Flappende vinge-luftfartøj (FAAV), en bioinspireret robot, der kan svømme under vandet, bryde overfladen og straks genoptage flyvningen blot ved at fortsætte med at baske med vingerne. Undersøgelsen blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab.

Projektet udspringer af observationen af ​​en lille gruppe havfugle, der kan navigere effektivt i begge miljøer. Lommer, måger, lunder og petreller bruger de samme vinger til at generere løft under flyvning og fremdrift under svømning, og tilpasser deres bevægelse til karakteristikaene for den væske, de navigerer i. At oversætte denne evne til et robotsystem krævede mange års studier af dyrebiomekanik og adskillige eksperimentelle forsøg.

Den primære forskningsleder er Raphael Zufferey, nu adjunkt ved MIT efter en forskningsperiode på EPFL. Det oprindelige mål var ikke så meget at bygge en ny amfibisk drone som at forstå de principper, der gør det muligt for dykkende fugle at overkomme en overgang, der fra et ingeniørmæssigt perspektiv virker ekstremt vanskelig.

Fleksible vinger og et enkelt fremdriftssystem til to modsatrettede miljøer

FAAV vejer mindre end 300 gram og består af en vandtæt central flykrop, to fleksible vinger og en drejelig hale. Inde i kroppen er der et batteri og en vandtæt elmotor, som via en krumtapaksel giver vingerne den oscillerende bevægelse, der er nødvendig for både svømning og flyvning. Vingemembranerne er også dækket af hydrofobe nanopartikler, som favoriserer den hurtige afløsning af vandet under fremspiring.

Et af de mest interessante aspekter vedrører systemets modularitet. Forskerne har skabt tre forskellige vingekonfigurationer med åbninger på 60, 80 og 100 centimeter, for at forstå hvilken kombination der gav det bedste kompromis mellem løft, tryk og manøvredygtighed. Testene viste, at mellemløsningen 80 centimeter sikrer den mest afbalancerede adfærd både i vand og i luften.

Vingefleksibilitet har vist sig lige så afgørende. Alt for stive strukturer forbedrer flyvningen, men øger den hydrodynamiske modstand; overdrevent deformerbare vinger letter svømning, men producerer ikke tilstrækkelig løft efter overfladen. Optimal adfærd er således et resultat af et kompromis, der minder meget om det, der udviklede sig hos havfugle over millioner af år.

Test mellem universitetets forsøgstank og Genevesøen

For at verificere robottens funktion udførte gruppen en lang række tests, først i en forsøgstank og derefter i Genevesøen, i Schweiz. Under hver test blev fartøjet placeret cirka en halv meter dybt og programmeret med forskellige vingeslagsfrekvenser og forskellige halerygninger. Målet var at identificere de kombinationer, der kunne sikre en stabil overgang fra vand til luft uden tab af kontrol.

Resultaterne viste, at robotten kan svømme med hastigheder tæt på en meter i sekundet med en frekvens på cirka fem slag i sekundet, når den under flyvningen ca. seks meter i sekundet opretholder en lignende frekvens. Ydeevnen er overraskende tæt på de værdier, der observeres hos dykkende fugle af sammenlignelig størrelse.

Den mest delikate fase er at krydse overfladen. For at forhindre, at vingespidserne rammer vandet under flapsen, skal robotten antage en hældning på ca. 70 graderEn lavere vinkel forhindrer start, mens en højere vinkel øger risikoen for, at flyet straks falder tilbage i vandet. Kombinationen af ​​vingefang, oscillationsfrekvens og halevinkel skaber derfor en ekstremt præcis balance, der gør det muligt for FAAV'en at skifte fra et miljø til et andet uden at afbryde vingernes bevægelse.

Starten lykkes uden hjælp fra ben eller separate thrustere.

Den kombination, som forskerne har identificeret, gør det muligt for FAAV at gennemføre hele sekvensen uden brug af ekstra propeller, flydende pontoner eller andre thrustere. Efter at have svømmet under overfladen, orienterer fartøjet sin krop opad ved hjælp af sin motoriserede hale, fortsætter med at slå med vingerne og bruger den akkumulerede trykkraft til at komme til overfladen. Når flykroppen stiger over vandet, genererer den samme bevægelse den løftkraft, der er nødvendig for at fortsætte i luften.

Evnen til at gennemføre denne overgang uden at bruge benene adskiller også robotten fra mange dykkende fugles adfærd. Adskillige arter padler på overfladen, når de har brug for at genvinde højde, for at øge deres hastighed, før de letter. Prototypen blev udviklet mellem Lausanne e Cambridge I stedet formår den direkte at omdanne hjerteslagene under vandet til en startmanøvre.

Raphael Zufferey Han forklarede, at netop fraværet af et apparat svarende til ben var et af forskningens centrale spørgsmål.

"Hvis man ser på fugle, er de fleste af dem nødt til at padle på overfladen med fødderne for at lette. Spørgsmålet var, om det var nødvendigt at gøre det samme med robotter, men vi opdagede, at det ikke er det. Ingen havde endnu haft succes med at flyve op af vandet ved hjælp af deres vinger."

Resultatet afhænger ikke af en enkelt komponent, men af ​​samspillet mellem vingegeometri, membranelasticitet, oscillationsfrekvens og haletrim. En lille variation i nogen af ​​disse parametre kan forhindre overfladedannelse eller gøre overgangen til flyvning ustabil. FAAV fungerer derfor som et integreret system, hvor mekanikken samtidig skal tilpasse sig hydrodynamisk modstand og aerodynamiske krav.

Sammenligningen med dyr muliggjorde også en kontrolleret undersøgelse af nogle principper, der er vanskelige at isolere i naturen. Fugle ændrer løbende deres kropsholdning, led og hjerteslagsamplitude; robotten derimod

Det giver dig mulighed for at indstille præcise værdier og observere, hvordan hvert valg påvirker hastighed, stabilitet og evnen til at krydse overfladen. Prototypen bliver således ikke kun et muligt operationelt middel, men også et værktøj til at analysere biomekanik i paddebevægelse.

Fra isbjerge til havne, de missioner, der allerede er forestillet sig til søs

De ansøgninger, som gruppen har behandlet, vedrører primærthavudforskning og dataindsamling i områder, der er vanskelige eller risikable for traditionelle fartøjer. Et letvægtsfartøj kunne starte fra kysten eller et skib, hurtigt flyve til det område, der skal undersøges, dykke ned for at foretage en måling eller indsamle en prøve og derefter vende tilbage til basen med de indsamlede oplysninger.

Eksempler inkluderer: isbjerg, havneinfrastruktur og områder, der hyppigt besøges af hvaler. I hvert af disse miljøer ville muligheden for at skifte mellem luft og vand undgå at skulle bruge to forskellige metoder, en luftbåren og en under vandet, eller manuelt hente enheden efter hvert dyk.

Zufferey beskrev en mulig mission, hvor oceanografer, marinbiologer og kystsamfund ville lancere robotten fra en båd eller direkte fra kysten.

"Vores vision er, at robotten skal flyve nær et interessant område – for eksempel et isbjerg, en havnefacilitet eller en hvalflok – dykke ned for at foretage en måling eller indsamle en prøve og derefter vende tilbage for at levere dataene til en brøkdel af prisen for traditionelle metoder. Den kunne derefter tage på endnu et dyk."

Henvisningen til omkostninger er endnu ikke ensbetydende med en fuldstændig økonomisk evaluering. FAAV er fortsat en eksperimentel prototype Forskningen giver ikke en operationel sammenligning med oceanografiske fartøjer, autonome undervandsfartøjer eller kommercielle droner. Den potentielle fordel stammer primært fra reduktionen i opsendelses- og bjærgningsoperationer og evnen til at tilbagelægge afstande under flyvning, som et lille undervandsfartøj ville tilbagelægge langsommere.

Selv en vægt på under 300 gram repræsenterer både en mulighed og en begrænsning. En så let enhed kan nemt transporteres og anvendes, men den har begrænset kapacitet til batterier, måleinstrumenter og prøvebeholdere. Videnskabelig brug vil derfor kræve sensorer, der er kompatible med den tilgængelige vægt og effektiv beskyttelse mod saltvand, kollisioner og bølgebelastninger.

Slagsejlads, vind og oprørt vand er de næste testbænke

Holdet modificerer nu vingerne for at kontrollere drejninger, ud over den vertikale bevægelse, der allerede er testet. Den nuværende konfiguration demonstrerer kontinuiteten mellem svømning, overfladebestigning og flyvning, men et fartøj beregnet til virkelige missioner skal orientere sig præcist, korrigere sin kurs og reagere på forstyrrelser uden at være afhængig af rolige forhold.

De efterfølgende tests vil faktisk omhandle situationer, der minder mere om dem, man ser på åbent hav: uroligt vand, turbulens under fremkomst og vind i luftfasen. Test i Genevesøen har bekræftet driftsprincippet, men uregelmæssige bølger og vindstød kan ændre den vinkel, hvormed robotten når overfladen, hvilket gør vingerne våde igen eller destabiliserer overgangen fra en væske til en anden.

Det skal også stadig fastslås, hvor længe fartøjet kan operere, hvilken videnskabelig nyttelast det kan bære, og hvor pålideligt det kan gentage adskillige på hinanden følgende overgange. Disse elementer adskiller den eksperimentelle demonstration fra en faktisk oceanografisk anvendelse og skal måles i mere omfattende kampagner.

Studiet involverer, udover EPFL og MIT, forskere fra Nordvestindisk College i USA. Arbejdet blev delvist støttet af en bevilling fra Marie Skłodowska-Curie-aktioner og fra Den schweiziske nationale videnskabsfondPublikationen om Videnskab Det dokumenterer frem for alt en mekanisk bedrift: et enkeltvinget apparat kan producere den nødvendige fremdrift under vandet og den nødvendige løft i luften uden at afbryde bevægelsen under overfladen.

Før denne arkitektur kan blive et standardværktøj for oceanografer og marinbiologer, vil der være behov for mere omfattende styresystemer, større modstandsdygtighed over for miljøforhold og en lastekapacitet, der er kompatibel med målinger og prøveudtagning. FAAV har dog præciseret udgangsprincippet: for at bevæge sig mellem hav og himmel er det ikke nødvendigt at kombinere to forskellige fartøjer, så længe vinger, hale og flyvestillingskontrol er designet til at håndtere begge miljøer.

Her er tre indsigter, som måske interesserer dig:

En helt ny drone til ultrahurtige overgange mellem luft og vand
Pris til ProteusDrone, den bløde robot med mutante former
Zebrafisk-inspireret robot opklarer adfærdskredsløb