Putem face ca o dronă să zboare ca un porumbel, dar trebuia să folosim pene pentru a face acest lucru.
Porumbeii reusesc sa ajunga la verticala fara a folosi o coada verticala. Credit: HamidEbrahimi
Cele mai multe avioane din lume au cozi verticale sau cârme de prevenit rulou olandez instabilități, o combinație de mișcări înclinate și laterale cu rostogolire care seamănă puțin cu mișcările unui patinator. Din păcate, o coadă verticală adaugă greutate și generează rezistență, ceea ce reduce eficiența consumului de combustibil la avioanele de pasageri. De asemenea, mărește semnătura radarului, lucru pe care doriți să-l mențineți cât mai jos posibil într-o aeronavă militară.
În bombardierul stealth B-2, unul dintre puținele avioane fără cârmă, instabilitățile olandeze de rulare sunt tratate folosind clapete de tracțiune poziționate la vârfurile aripilor sale, care se pot despica și deschide pentru a face ca o aripă să genereze mai multă rezistență decât cealaltă și astfel stabilizați lateral mașina. „Dar nu este cu adevărat o modalitate eficientă de a rezolva această problemă”, spune David Lentink, inginer aerospațial și biolog la Universitatea din Groningen, Țările de Jos. „Modul eficient este rezolvarea problemei prin generarea de suspensie în loc de rezistență. Este ceva ce fac păsările.”
Lentink a condus studiul menit să înțeleagă mai bine mecanica zborului fără cârmă a păsărilor.
Avioane automate
Zborul păsărilor implică turbulențe aproape constante – „Când zboară în jurul clădirilor, lângă copaci, lângă stânci, lângă stânci”, spune Lentink. Ipoteza principală cu privire la modul în care gestionează acest lucru într-o manieră aparent grațioasă și fără efort a fost sugerată de un om de știință german pe nume Franz Groebbels. El a susținut că abilitatea păsărilor se bazează pe reflexele lor. Când ținea o pasăre în mâini, a observat că coada ei se răsturna în jos atunci când pasărea era înclinată în sus și în jos, iar când pasărea era mișcată în stânga și în dreapta, aripile ei au răspuns și ele la mișcare extinzându-se la stânga și la dreapta asimetric. „Un alt motiv pentru a crede că reflexele contează este să comparăm acest lucru cu propria noastră locomoție umană – atunci când ne împiedicăm, este un reflex care ne salvează de la cădere”, susține Lentink.
Intuiția lui Groebbels despre reflexele păsărilor care sunt responsabile pentru stabilizarea zborului a fost susținută mai târziu de neuroștiință. Mișcările aripilor și mușchilor păsărilor au fost înregistrate și s-au dovedit a fi proporționale cu măsura în care pasărea a fost înclinată sau rostogolită. Totuși, ipoteza a fost extrem de dificil de testat cu o pasăre zburătoare – toate experimentele menite să confirme au fost făcute pe păsări care au fost ținute pe loc. O altă provocare a fost să se determine dacă acele mișcări ale aripilor și cozii erau reflexive sau voluntare.
„Cred că un lucru destul de grozav este că Groebbels și-a scris lucrarea în 1929, cu mult înainte ca sistemele de pilot automat sau zborul autonom să fie inventate, și totuși a spus că păsările zburau ca avioanele automate”, spune Lentink. Pentru a-și da seama dacă are dreptate, Lentink și colegii săi au început cu analogia lui Groebbel, dar au mers înapoi – au început să construiască avioane autonome concepute să arate și să zboare ca păsările.
Porumbei de inginerie inversă
Primul robot zburător construit de echipa lui Lentink s-a numit Tailbot. Avea aripi fixe și o coadă foarte sofisticată care se putea mișca cu cinci grade de libertate acționate. „S-ar putea răspândi – să se înfășoare și să se desfășoare – să se miște în sus și în jos, să se miște lateral, chiar și asimetric dacă este necesar și să se încline. Ar putea face tot ce poate o coadă de pasăre”, explică Lentink. Echipa a pus acest robot într-un tunel de vânt care a simulat un zbor turbulent și a reglat fin un controler care a ajustat poziția cozii ca răspuns la schimbările în poziția corpului robotului, mimând reflexele observate la porumbeii adevărați.
„Am descoperit că acest controler de reflexe care gestiona mișcarea cozii a funcționat și a stabilizat robotul în tunelul de vânt. Dar când am scos-o în aer liber, rezultatele au fost dezamăgitoare. De fapt, a ajuns să se prăbușească”, spune Lentink. Având în vedere că nu era suficient să te bazezi doar pe o coadă transformată, echipa a construit un alt robot numit PigeonBot II, care a adăugat aripi transformatoare asemănătoare porumbeilor.
Fiecare aripă poate fi ascunsă sau extinsă independent. Combinat cu coada morphing și nouă servomotoare – două pe aripă și cinci în coadă – robotul cântărea în jur de 300 de grame, ceea ce înseamnă aproximativ greutatea unui porumbel adevărat. Reflexele au fost gestionate de același controler care a fost modificat pentru a gestiona și mișcările aripilor.
Pentru a permite zborul autonom, echipa a echipat robotul cu două elice și un pilot automat de dronă disponibil pe raft numit Pixracer. Problema cu pilotul automat, totuși, a fost că a fost proiectat pentru comenzile convenționale pe care le utilizați la dronele quadcopter. „Am pus un Arduino între pilot automat și robot care a transpus comenzile pilotului automat în mișcările cozii și aripilor robotului”, spune Lentink.
Porumbelul II a trecut testul de zbor în aer liber. Ar putea decola, ateriza și zbura în întregime pe cont propriu sau cu un operator care emite comenzi de nivel înalt, cum ar fi urcarea, coborârea, întoarcerea la stânga sau la dreapta. Stabilizarea zborului s-a bazat în întregime pe reflexe asemănătoare păsărilor și a funcționat bine. Dar exista un lucru pe care electronica nu l-a putut recrea: roboții lor foloseau pene de porumbei adevărate. „Le-am folosit pentru că, cu tehnologia actuală, este imposibil să creăm structuri care să fie la fel de ușoare, la fel de rigide și la fel de complexe în același timp”, spune Lentink.
Minuni cu pene
Penele păsărilor par simple, dar sunt într-adevăr piese extrem de avansate de hardware aerospațial. Complexitatea lor începe cu caracteristicile la scară nanometrică. „Penele au cârlige 3D de 10 microni pe suprafața lor, care le împiedică să se depărteze prea mult. Este singurul sistem Velcro unilateral din lume. Acesta este ceva care nu a fost niciodată conceput și nu există nimic ca asta în altă parte în natură”, spune Lentink. Aceste cârlige la scară nanometrică, atunci când sunt blocate, pot suporta sarcini care ajung până la 20 de grame.
Apoi există proprietăți la scară macro. Penele nu sunt ca structurile din aluminiu care au o rigiditate la încovoiere, o rigiditate a cuplului și atât. „Sunt foarte rigizi într-o direcție și foarte moi în altă direcție, dar nu moi într-un mod slab – pot suporta sarcini semnificative”, spune Lentink.
Echipa sa a încercat să facă pene artificiale cu fibră de carbon, dar nu au reușit să creeze ceva atât de ușor ca o pene adevărată. „Nu cunosc nicio imprimantă 3D care ar putea începe cu caracteristici la scară nanometrică de 10 microni și să funcționeze până la structuri la scară macro care pot avea o lungime de 20 de centimetri”, spune Lentink. Echipa sa a descoperit, de asemenea, că penele de porumbei ar putea filtra singure multe perturbații de turbulență. „Nu a fost doar forma aripii”, susține Lentink.
Lentink estimează că un program de cercetare care vizează dezvoltarea materialelor aerospațiale chiar și de la distanță comparabile cu pene ar putea dura până la 20 de ani. Dar asta înseamnă că întregul său concept de folosire a controlerelor bazate pe reflex pentru a rezolva zborul fără cârmă depinde doar de realizarea cu succes a ingineriei inverse a unei penei de porumbel? Nu chiar.
Bombardieri de porumbei?
Echipa crede că ar putea fi posibilă construirea de avioane care să emuleze modul în care păsările stabilizează zborul fără cârmă folosind materiale ușor disponibile. „Pe baza experimentelor noastre, știm ce forme ale aripilor și ale cozii sunt necesare și cum să le controlăm. Și putem vedea dacă putem crea același efect într-un mod mai convențional cu aceleași tipuri de forțe și momente”, spune Lentink. El bănuiește că dezvoltarea de materiale complet noi cu proprietăți asemănătoare penelor ar deveni necesară doar dacă abordarea convențională se lovește de niște obstacole de netrecut și nu reușește.
„În inginerie aerospațială, trebuie să încerci lucrurile. Dar acum știm că merită făcut”, susține Lentink. Și spune că aviația militară ar trebui să fie prima care să încerce acest lucru, deoarece acolo riscul este mai tolerabil. „Noile tehnologii sunt adesea încercate pentru prima dată în armată și vrem să fim transparenți în privința asta”, spune el. Implementarea stabilizării zborului fără cârmă asemănătoare unei păsări în avioanele de pasageri, care sunt de obicei proiectate într-un mod foarte conservator, ar necesita mult mai multe cercetări, „Poate dura cu ușurință 15 ani sau mai mult până când această tehnologie este gata la un asemenea nivel încât am puneți pasagerii să zboare cu el”, susține Lentink.
Totuși, el spune că încă mai putem învăța multe din studierea păsărilor. „Știm mai puține despre zborul păsărilor decât cred mulți oameni că știm. Există un decalaj între ceea ce pot face avioanele și ceea ce pot face păsările. Încerc să reduc acest decalaj înțelegând mai bine cum zboară păsările”, adaugă Lentink.
Science Robotics, 2024. DOI: 10.1126/scirobotics.ado4535
Jacek Krywko este un scriitor independent de știință și tehnologie care acoperă explorarea spațiului, cercetarea inteligenței artificiale, informatica și tot felul de vrăjitorie inginerească.
Comentarii recente