طائرة بدون طيار مستوحاة من الطيور تستخدم الأرجل للمشي والقفز في الهواء

على ضفاف بحيرة جنيف في سويسرا، تعد مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان موطنًا للعديد من علماء الروبوتات. كما أنها موطن للعديد من الطيور، التي تقضي معظم وقتها في القيام بأشياء خاصة بالطيور. مع بعض الاستثناءات، لا تطير هذه الطيور فعليًا: فالطيران يتطلب الكثير من العمل، وقد اكتشفت العديد من الطيور أنه يمكنها بدلاً من ذلك المشي على الأرض، حيث يوجد كل الطعام، دون تعب نفسها. من خلال الاضطرار إلى التحليق في الهواء مرارًا وتكرارًا.

يقول وون دونج شين، طالب الدكتوراه في كلية EPFL: “كلما صادفت الغربان في حرم EPFL، كنت ألاحظ كيف يسيرون، ويقفزون فوق العوائق أو يقفزون عليها، ويقفزون للإقلاع”. مختبر EPFL للأنظمة الذكية. “ما لاحظته باستمرار هو أنهم يقفزون دائمًا لبدء الطيران، حتى في المواقف التي كان بإمكانهم فيها استخدام أجنحتهم فقط.”

شين هو المؤلف الأول لورقة نشرت اليوم في طبيعة الذي يستكشف سبب قفز الطيور للإقلاع، وكيف يمكن تطبيق ذلك بشكل مفيد على الطائرات بدون طيار ذات الأجنحة الثابتة، والتي تحتاج إلى أشياء مثل مدارج الطائرات أو المقاليع للإقلاع عن الأرض. يمكن لطائرة Shin’s RAVEN (مركبة روبوتية مستوحاة من الطيور لبيئات متعددة) بدون طيار، بأرجلها المستوحاة من الطيور، القيام بالإقلاع بالقفز تمامًا كما تفعل الغربان، ويمكنها استخدام نفس الأرجل للتجول على الأرض بشكل جيد أيضًا.

اعتمدت أرجل الطائرة بدون طيار المستوحاة من الطيور بعض المبادئ الأساسية للتصميم البيولوجي مثل القدرة على تخزين وإطلاق الطاقة في نوابض تشبه الأوتار إلى جانب بعض أصابع القدم المرنة.EPFL

مرة أخرى في عام 2019، لقد كتبنا عن شركة ناشئة في جنوب إفريقيا تدعى Passerine والتي كانت لها فكرة مماثلة، وإن كانت أكثر تركيزًا على استخدام الأرجل لإطلاق طائرات شحن بدون طيار ثابتة الجناحين في الهواء. هذه قدرة جذابة للطائرات بدون طيار، لأنها تعني أنه يمكنك الاستفادة من المدى والقدرة على التحمل التي تحصل عليها بجناح ثابت دون الحاجة إلى اللجوء إلى حيل غير فعالة مثل تدبيس مجموعة من المراوح الإضافية لنفسك لتتمكن من الإقلاع عن الأرض. يقول شين: “إن مفهوم دمج الإقلاع بالقفز في مركبة ذات أجنحة ثابتة هو الفكرة المشتركة بين كل من RAVEN وPasserine”. “يكمن الاختلاف الرئيسي في تركيزهما: ركز Passerine على آلية القفز فقط، بينما ركز RAVEN على الأرجل متعددة الوظائف.”

تصميم مستوحى من الحيوية للطائرات بدون طيار

الأرجل متعددة الوظائف تجعل RAVEN أقرب بكثير إلى الطيور، وعلى الرغم من أن هذه الأرجل الميكانيكية ليست معقدة وقادرة تقريبًا مثل أرجل الطيور الفعلية، إلا أنها تتبنى بعض المبادئ الأساسية للتصميم البيولوجي (مثل القدرة على تخزين وإطلاق الطاقة في نوابض تشبه الأوتار جنبًا إلى جنب مع بعض أصابع القدم المرنة) تسمح لـ RAVEN بالتجول بطريقة تشبه الطيور.

EPFL

على الرغم من اسمه، فإن حجم رافين يبلغ تقريبًا حجم الغراب، ويبلغ طول جناحيه 100 سم وطول جسمه 50 سم. يمكنه المشي مسافة متر في أقل من أربع ثوانٍ، والقفز فوق فجوات تبلغ 12 سم، والقفز إلى أعلى عائق يبلغ طوله 26 سم. بالنسبة للإقلاع بالقفز، تدفع أرجل RAVEN الطائرة بدون طيار إلى ارتفاع أولي يبلغ حوالي نصف متر، وبسرعة أمامية تبلغ 2.2 م/ث.

أصابع قدم RAVEN مثيرة للاهتمام بشكل خاص، خاصة بعد أن ترى مدى صعوبة زراعة وجه الروبوت المسكين بدونها:

بدون أصابع قدم، ينبت وجه الغراب عندما يحاول المشي.EPFL

يوضح شين: “كان من المهم دمج مفصل إصبع مرن سلبي لتمكين أنماط المشي المتعددة والتأكد من قدرة RAVEN على القفز بالزاوية الصحيحة للإقلاع”. تحتوي معظم الروبوتات ذات القدمين على أقدام مشغلة تسمح بالتحكم المباشر في زوايا القدم، ولكن بالنسبة للروبوت الذي يطير، لا يمكنك إضافة المحركات في كل مكان طوعًا أو كرها لأنها تزن كثيرًا. كما هو الحال، فإن طائرة RAVEN بدون طيار تزن 620 جرامًا منها 230 جرامًا كاملة تتكون من الأقدام وأصابع القدم والمحركات وما إلى ذلك.

تشكل مفاصل الورك والكاحل المشغلة ساقًا مبسطة ولكنها لا تزال تشبه ساق الطائر، بينما تساعد النوابض الموجودة في مفاصل الكاحل وأصابع القدم على امتصاص القوة وتخزين الطاقة.EPFL

لماذا إضافة الساقين إلى طائرة بدون طيار؟

لذا فإن السؤال هو، هل يستحق كل هذا الوزن الزائد والتعقيد الناتج عن إضافة الأرجل كل هذا العناء؟ من ناحية، فهو كذلك بالتأكيد، لأن الروبوت يمكنه القيام بأشياء لم يكن بإمكانه القيام بها من قبل، مثل التجول على الأرض والإقلاع من الأرض بنفسه. ولكن اتضح أن RAVEN خفيف بما فيه الكفاية، ولديه محرك قوي بما فيه الكفاية، وطالما أنه مدعوم بالزاوية الصحيحة، يمكنه الإقلاع من الأرض دون القفز على الإطلاق. بمعنى آخر، إذا استبدلت الأرجل ببعض عصي المصاصات فقط لإمالة مقدمة الطائرة للأعلى، فهل سيعمل ذلك أيضًا عند الإقلاع الأرضي؟

اختبر الباحثون ذلك، ووجدوا أن الإقلاع بدون القفز كان سيئًا. أدى المزيج من زاوية الهجوم العالية وسرعة الإقلاع المنخفضة إلى طيران غير مستقر للغاية، وقد نجح الأمر، ولكن بالكاد. أما القفز، من ناحية أخرى، فينتهي به الأمر بحوالي عشر مرات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بشكل عام من الإقلاع الدائم. كما تلخص الورقة البحثية، “على الرغم من أن الإقلاع بالقفز يتطلب مدخلات طاقة أعلى قليلاً، إلا أنه الطريقة الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة والأسرع لتحويل طاقة التشغيل إلى طاقات حركية ومحتملة للطيران”. وكما هو الحال مع الطيور، يمكن لـ RAVEN أيضًا الاستفادة من أرجلها للتحرك على الأرض بطريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بالقيام برحلات قصيرة متكررة.

وون دونغ شين يحمل طائرة RAVEN بدون طيار.EPFL

هل يمكن لهذا التصميم أن يصل إلى طائرات بدون طيار ذات أجنحة ثابتة أكبر؟

تستخدم الطيور أرجلها في جميع أنواع الأشياء إلى جانب المشي والقفز والقفز بالطبع، ويأمل وون دونغ شين أن تتمكن RAVEN من فعل المزيد بأرجلها أيضًا. الفكرة الواضحة هي استخدام الأرجل للهبوط: “تستخدم الطيور أرجلها لإبطاء السرعة وتقليل التأثير، ويمكن تطبيق هذا المبدأ نفسه على أرجل RAVEN،” كما يقول شين، على الرغم من أن الطائرة بدون طيار ستحتاج إلى نظام إدراك لا تمتلكه بعد. لتخطيط الأمور. هناك أيضًا السباحة والجثم والخطف، وكلها تتطلب تصميمًا جديدًا للقدم.

لقد سألنا أيضًا Shin عما قد يتطلبه الأمر لتوسيع نطاق هذا التصميم، ربما لحمل حمولة مفيدة في مرحلة ما. ويشير شين إلى أنه بعد حجم معين، لم تعد الطيور قادرة على القيام بالإقلاع والقفز، وإما أن تضطر إلى القفز من شيء أعلى أو تجد نفسها على المدرج. في الواقع، بعض الطيور سوف تذهب إلى أبعد من ذلك لا يجب أن تقوم بالإقلاع والقفز، كما يوضح أفضل إنسان على الإطلاق ديفيد أتينبورو:

بي بي سي

يشير شين إلى أنه عادةً ما يكون توسيع نطاق الأنظمة الهندسية أسهل من قياس الأنظمة البيولوجية، ويبدو متفائلاً بأن قواعد الإقلاع والقفز ستكون قابلة للتطبيق على طائرات بدون طيار أكبر حجمًا ذات أجنحة ثابتة يمكن استخدامها للتوصيل. ويجري العمل حاليًا على نظام رؤية يمكن استخدامه لتجنب العوائق والهبوط، وكذلك الأجنحة التي يمكن طيها للسماح للطائرة بدون طيار بالمرور عبر الفجوات الضيقة. في النهاية، يقول شين إنه يريد أن يجعل الطائرة بدون طيار تشبه الطيور قدر الإمكان: “أنا أيضًا حريص على دمج الأجنحة المرفرفة في RAVEN. وهذا التحسين من شأنه أن يتيح المزيد من الحركة الشبيهة بالطيور ويجلب المزيد من الأسئلة البحثية المثيرة للاهتمام لاستكشافها.

“انتقال سريع من الأرض إلى الجو مع أرجل متعددة الوظائف مستوحاة من الطيور“، بقلم وون دونغ شين، وهوانغ-فو فان، ومونيكا أ. دالي، وأوك ج. إيجسبيرت، وداريو فلوريانو من مدرسة EPFL في سويسرا وجامعة كاليفورنيا في إيرفين، تظهر في عدد 4 ديسمبر من مجلة طبيعة.