تستخدم روبوتات ديزني الصواريخ لتثبيت عملية الهبوط

من الصعب التفكير في طريقة أكثر دراماتيكية للدخول من السماء. على الرغم من أن هذا يحدث كثيرًا على الشاشة الفضية، إلا أن ما إذا كان يمكن القيام به في الحياة الواقعية أم لا يمثل تحديًا محيرًا لفريق الروبوتات الترفيهية لدينا في Disney Research.

السقوط أمر صعب لسببين. الأول والأكثر وضوحا هو ما أشار إليه دوجلاس آدامز بـ “التوقف المفاجئ في النهاية”. كل ثانية من السقوط الحر تعني سرعة إضافية تبلغ 9.8 م/ث، وهذا يمكن أن يؤدي بسرعة إلى مشكلة تبديد الطاقة الصعبة للغاية. الأمر الصعب الآخر بشأن السقوط، خاصة بالنسبة للحيوانات الأرضية مثلنا، هو أن أساليبنا الطبيعية للتحكم في توجهاتنا تختفي. لقد اعتدنا على الاعتماد على قوى الاتصال بين أجسامنا والبيئة للتحكم في الاتجاه الذي نشير إليه. في الهواء، لا يوجد شيء يمكن دفعه سوى الهواء نفسه!

إن إيجاد حل لهذه المشاكل يشكل تحديا كبيرا ومفتوحا. في المقطع أدناه، يمكنك رؤية أحد الأساليب التي اتبعناها للبدء في التخلص منها.

يُظهر الفيديو روبوتًا صغيرًا يشبه العصا مع مجموعة من أربعة مراوح أنبوبية متصلة بأعلى الروبوت. يمتلك الروبوت قدمًا تشبه المكبس تمتص تأثير السقوط البسيط، ثم تحافظ المراوح الأنبوبية على وقوف الروبوت من خلال مواجهة أي حركة إمالة باستخدام الدفع الديناميكي الهوائي.

رافائيل بيلون [left] ومارسيلا دي لوس ريوس يقومان بتقييم أداء روبوت التوازن أحادي الأرجل.أبحاث ديزني

يوضح الجزء القائم أن الدفع في الهواء ليس مفيدًا فقط أثناء السقوط الحر. تعتمد روبوتات المشي والقفز التقليدية على قوى التلامس مع الأرض للحفاظ على الاتجاه المطلوب. يمكن لهذه القوى أن تتصاعد بسرعة بسبب صلابة النظام، مما يستلزم استراتيجيات التحكم في النطاق الترددي العالي. إن القوى الديناميكية الهوائية ضعيفة نسبيًا، لكنها رغم ذلك كانت كافية لإبقاء الروبوتات لدينا واقفة. وبما أن هذه القوى يمكن تطبيقها أيضًا أثناء مرحلة الطيران من الجري أو القفز، فقد يؤدي هذا النهج إلى روبوتات تركض قبل أن تمشي. الشيء الذي يحدد مشية الجري هو وجود “مرحلة الطيران” – وهو الوقت الذي لا تتلامس فيه أي من القدمين مع الأرض. يمكن للروبوت الجاري الذي يتمتع بسلطة التحكم الديناميكي الهوائي أن يستخدم مشية بمرحلة طيران طويلة. وهذا من شأنه أن يحول عبء جهد التحكم إلى منتصف الرحلة، مما يبسط تصميم الساق وربما يجعل الحركة السريعة ذات القدمين أكثر قابلية للتتبع من الوتيرة المعتدلة.

يستخدم ريتشارد لاندون منصة اختبار لتقييم ملف تعريف الدفع للمروحة الأنبوبية.أبحاث ديزني

في الفيديو التالي، يتعامل روبوت أكبر قليلاً مع سقوط أكثر دراماتيكية من ارتفاع 65 قدمًا في الهواء. تحتوي هذه الآلة البسيطة على قدمين تشبه المكبس ومجموعة مماثلة من المراوح الأنبوبية في الأعلى. لا تعمل المراوح على تثبيت الروبوت عند الهبوط فحسب، بل تساعد أيضًا في إبقائه موجهًا بشكل صحيح أثناء سقوطه. يوجد داخل كل قدم سدادة من الرغوة القابلة للضغط ذات الاستخدام الواحد. يوفر سحق الرغوة عند الاصطدام مظهرًا لطيفًا وثابتًا للقوة، مما يزيد من كمية الطاقة المتبددة لكل بوصة من الانكماش.

في حالة هذا الروبوت الصغير، فإن تبديد الطاقة الميكانيكية في المكابس أقل من إجمالي الطاقة اللازمة لتبديدها من السقوط، وبالتالي فإن بقية الآلية تتلقى ضربة قوية جدًا. يعد حجم الروبوت ميزة في هذه الحالة، لأن قوانين القياس تعني أن نسبة القوة إلى الوزن هي في صالحه.

تعتمد قوة المكون على مساحة مقطعه العرضي، بينما يعتمد وزن المكون على حجمه. المساحة تتناسب مع مربع الطول، بينما الحجم يتناسب مع الطول المكعب. وهذا يعني أنه عندما يصبح الجسم أصغر، يصبح وزنه صغيرًا نسبيًا. ولهذا السبب يمكن أن يكون طول الطفل نصف طول شخص بالغ ولكن فقط جزء صغير من وزن ذلك الشخص البالغ، ولهذا السبب يمكن للنمل والعناكب الركض على أرجل طويلة ومغزلية. تستفيد روبوتاتنا الصغيرة من هذا، لكن لا يمكننا التوقف عند هذا الحد إذا أردنا تمثيل بعض شخصياتنا الأكبر.

قام لويس لامبي ومايكل لينش بتجميع منصة اختبار المروحة الأنبوبية المبكرة. تم تركيب المنصة على أسلاك توجيهية وتم استخدامها لاختبارات قدرة الرفع.أبحاث ديزني

في معظم تطبيقات الروبوتات الجوية، يتم توفير التحكم من خلال نظام قادر على دعم وزن الروبوت بالكامل. في حالتنا، القدرة على التحليق ليست ضرورة. يُظهر المقطع أدناه تحقيقًا في مقدار الدفع المطلوب للتحكم في اتجاه روبوت كبير وثقيل إلى حد ما. يتم دعم الروبوت على محورين، مما يسمح له بالدوران بحرية. في الأطراف توجد صفائف من المراوح الأنبوبية. ليس لدى المراوح القوة الكافية لإبقاء الإطار في الهواء، لكن لديهم سلطة تحكم كبيرة في الاتجاه.

من غير المرجح أن تبقى الروبوتات المعقدة سالمة عندما تتعرض لتسارعات عالية للغاية نتيجة لتأثير أرضي مباشر، كما ترون في هذا الاختبار المبكر الذي لم يسير وفقًا للخطة.

في هذا الفيديو الأخير، نستخدم مجموعة من التقنيات السابقة ونضيف قدرة أخرى – توقف دراماتيكي في الجو. وتشكل المراوح الأنبوبية جزءًا من هذا الحل، ولكن يتم تحقيق التباطؤ عالي السرعة بشكل أساسي بواسطة صاروخ مائي كبير. ثم يجب على الأرجل الميكانيكية فقط التعامل مع العشرة أقدام الأخيرة من تسارع السقوط.

سواء أكان ذلك باستخدام الماء أو وقود الصواريخ، فإن المبدأ الكامن وراء الصاروخ هو نفسه – يتم إخراج الكتلة من الصاروخ بسرعة عالية، مما ينتج قوة رد فعل في الاتجاه المعاكس عبر قانون نيوتن الثالث. كلما زاد معدل التدفق وزادت كثافة السائل، زادت القوة المنتجة. للحصول على معدل تدفق مرتفع ووقت استجابة سريع، كنا بحاجة إلى فوهة واسعة تتحول من الإغلاق إلى الفتح بشكل نظيف في غضون أجزاء من الثانية. لقد صممنا نظامًا باستخدام قطعة من رقائق النحاس وآلية ثقب مخصصة حققت ذلك تمامًا.

يقوم Grant Imahara بالضغط على خزان اختبار لتقييم النموذج الأولي للصمام [left]. صاروخ الماء أثناء العمل – لاحظ التدفق الصفحي بعرض 2 بوصة أثناء مروره عبر الفوهة المصممة خصيصًاأبحاث ديزني

بمجرد أن يقوم الصاروخ المائي بإيقاف الروبوت في الجو، تصبح المراوح الأنبوبية قادرة على تثبيته في وضع مستقر على ارتفاع حوالي عشرة أقدام فوق سطح السفينة. عندما ينقطعون، يسقط الروبوت مرة أخرى وتمتص الأرجل التأثير. في الفيديو، يوجد لدى الروبوت زوج من الحبال المفكوكة كإجراء احترازي للاختبار، لكنها لا تقدم أي دعم أو طاقة أو توجيه.

“قد لا يكون الأمر واضحًا فيما يتعلق بما يمكن استخدام هذا بشكل مباشر في يومنا هذا، ولكن هذه التجارب التقريبية لإثبات المفهوم تظهر أننا قد نكون قادرين على العمل ضمن فيزياء العالم الحقيقي للقيام بالسقوط العالي الذي تقوم به شخصياتنا على الأرض. يشرح توني دوهي، قائد المشروع: “شاشة كبيرة، وفي يوم من الأيام ستلتصق بالهبوط”.

لا يزال هناك عدد كبير من المشاكل التي يتعين على المشاريع المستقبلية معالجتها. تمتلك معظم الشخصيات أرجل تنحني على مفصلات بدلاً من الضغط مثل المكابس، ولا ترتدي حزامًا مصنوعًا من مراوح أنبوبية. وبعيدًا عن قضايا التغليف والشكل، فإن التأكد من هبوط الروبوت في المكان الذي ينوي الهبوط فيه بالضبط له آثار مثيرة للاهتمام على الإدراك والتحكم. بغض النظر، نعتقد أنه يمكننا أن نؤكد أن هذا النوع من الدخول له تأثير كبير.