Το πρώτο ρομπότ-πτηνό που κατακτά τον αέρα και το νερό με έναν μόνο μηχανισμό! [Video]

Σύνοψη

• Ερευνητές του MIT και του EPFL ανέπτυξαν ένα ρομπότ βάρους 250 γραμμαρίων που μπορεί να κολυμπήσει, να καταδυθεί και να πετάξει χρησιμοποιώντας αποκλειστικά τα φτερά του.
• Δεν διαθέτει έλικες ή πολύπλοκους μηχανισμούς αλλαγής μορφής, βασιζόμενο σε εύκαμπτα φτερά που προσαρμόζονται στην πυκνότητα του νερού.
• Η απογείωση από το νερό ολοκληρώνεται σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, απαιτώντας ακριβώς 8 με 10 χτυπήματα των φτερών υπό γωνία 70 μοιρών.
• Το κόστος κατασκευής ανέρχεται στα 300 δολάρια, τα σχέδια είναι διαθέσιμα ως ανοιχτός κώδικας και προορίζεται για περιβαλλοντική παρακολούθηση.

Η δημιουργία ενός μηχανήματος που μπορεί να λειτουργήσει εξίσου αποδοτικά στον αέρα και στο νερό αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σύγχρονης ρομποτικής. Μηχανικοί από το MIT και το EPFL (Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Λωζάνης) παρουσίασαν ένα βιομιμητικό ρομπότ 250 γραμμαρίων, το οποίο είναι το πρώτο στην κλίμακα μεγέθους πτηνού που καταφέρνει να ολοκληρώσει ολόκληρο τον κύκλο: κολύμπι, κατάδυση, απογείωση μέσα από το νερό και πτήση, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά την κίνηση των φτερών του.

Αντί να ενώσουν δύο διαφορετικά συστήματα πρόωσης, όπως έναν έλικα για το νερό και φτερά για τον αέρα, οι ερευνητές στράφηκαν στη φύση. Υπάρχουν περίπου 100 είδη πτηνών, όπως οι γλάροι, που μεταβαίνουν ομαλά μεταξύ των δύο μέσων. Το συγκεκριμένο ρομπότ αντιγράφει αυτήν τη βιολογική μηχανική, καταργώντας τους έλικες, τα πόδια ή τους πολύπλοκους μηχανισμούς αναδίπλωσης τύπου origami.

Η πρόκληση της πυκνότητας: Αέρας εναντίον νερού

Η μετάβαση από το νερό στον αέρα είναι εξαιρετικά δύσκολη από άποψη φυσικής. Το νερό είναι περίπου 800 φορές πιο πυκνό από τον αέρα, γεγονός που σημαίνει ότι η υδροδυναμική αντίσταση πολλαπλασιάζεται γεωμετρικά. Τα περισσότερα σχέδια αμφίβιων ρομπότ απαιτούν εναλλαγή υλικού μεταξύ των μέσων, αυξάνοντας το βάρος, την πολυπλοκότητα και την κατανάλωση ενέργειας. Το δημιούργημα του MIT και του EPFL αντιμετωπίζει αυτήν τη ριζική αλλαγή πυκνότητας μέσω της χρήσης εξαιρετικά προσαρμοστικών, εύκαμπτων φτερών και της απόλυτα ελεγχόμενης ταχύτητας κίνησής τους.

Κάτω από την επιφάνεια του νερού, τα φτερά του ρομπότ κάμπτονται παθητικά έως και 90%. Η συγκεκριμένη παραμόρφωση δεν είναι ελάττωμα, αλλά βασικό χαρακτηριστικό του σχεδιασμού. Μειώνοντας τη συνολική επιφάνεια του φτερού που έρχεται σε κάθετη επαφή με το υγρό στοιχείο, μειώνεται δραστικά το φορτίο στον κεντρικό κινητήρα. Ταυτόχρονα, η συχνότητα της κίνησης προσαρμόζεται. Στον αέρα, το ρομπότ χτυπά τα φτερά του με συχνότητα έως και 11 Hz. Στο νερό, η συχνότητα αυτή μειώνεται δραματικά σε ένα εύρος από 0,1 έως 6 Hz. Η έρευνα απέδειξε μάλιστα ότι τα πραγματικά πτηνά μειώνουν το άνοιγμα των φτερών τους κάτω από το νερό κυρίως για να αυξήσουν την ταχύτητά τους και όχι μόνο για να εξοικονομήσουν ενέργεια, μια υπόθεση που ήταν εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί σε ζωντανά ζώα, αλλά επιβεβαιώθηκε μέσω του ρομποτικού μοντέλου.

Εύκαμπτα φτερά, ουδέτερη πλευστότητα και στεγανοποίηση

Πέρα από την αρχιτεκτονική των φτερών, καθοριστικό ρόλο παίζει η άντωση. Το ρομπότ διαθέτει ουδέτερη πλευστότητα, που σημαίνει ότι ούτε επιπλέει αυτόματα προς την επιφάνεια, ούτε βυθίζεται ανεξέλεγκτα. Η ισορροπία αυτή είναι απολύτως απαραίτητη, διότι εάν ο κινητήρας έπρεπε να καταπολεμήσει τη φυσική άντωση ή βύθιση, η μπαταρία θα εξαντλούνταν γρήγορα. Όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα είναι ατομικά στεγανοποιημένα, ενώ τα φτερά έχουν υποστεί ειδική χημική επεξεργασία ώστε να απωθούν το νερό (υδροφοβικότητα), αποτρέποντας την αύξηση του βάρους κατά την έξοδο.

Τόσο τα αληθινά καταδυτικά πτηνά όσο και το ρομπότ λειτουργούν σε ένα παρόμοιο εύρος αεροδυναμικής και υδροδυναμικής απόδοσης. Η απόδοση αυτή περιγράφεται από έναν αδιάστατο αριθμό της μηχανικής ρευστών, τον αριθμό Strouhal, ο οποίος υπολογίζεται μεταξύ 0,2 και 0,4 και για τα δύο συστήματα. Βάσει των δεδομένων της ερευνητικής ομάδας, εάν η απόσταση που πρέπει να διανυθεί ξεπερνά τα 15,5 μέτρα, η πτήση καταναλώνει λιγότερη ενέργεια από την κολύμβηση. Επομένως, ο αλγόριθμος κίνησης του ρομπότ ορίζει ότι για μακρινές αποστάσεις είναι ενεργειακά αποδοτικότερο να βγει από το νερό, να πετάξει πάνω από την επιφάνεια και να καταδυθεί ξανά στο σημείο ενδιαφέροντος.

Η κρίσιμη στιγμή της απογείωσης

Το δυσκολότερο στάδιο λειτουργίας, το οποίο είχε αποτρέψει μέχρι σήμερα τη δημιουργία αντίστοιχων ρομπότ, είναι το κλάσμα του δευτερολέπτου της μετάβασης. Η στιγμή που το μηχάνημα πρέπει να ωθήσει τον εαυτό του έξω από το νερό χρησιμοποιώντας αποκλειστικά τη δύναμη των φτερών του, αντιμετωπίζοντας το μέγιστο δυνατό φορτίο.

Το ρομπότ ολοκληρώνει αυτή τη διαδικασία σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, απαιτώντας ακριβώς 8 έως 10 χτυπήματα. Για να επιτευχθεί αυτό, έπρεπε να συντονιστούν τρεις αυστηρές παράμετροι. 

• Η ακαμψία των φτερών: απαιτείται μια ενδιάμεση κατάσταση, ούτε πολύ άκαμπτα, ούτε πολύ χαλαρά. 
• Η μορφολογία της ουράς: σχεδιάστηκε σκόπιμα κοντή και κοντά στο σώμα. Μια μακριά ουρά θα λειτουργούσε ως άγκυρα, τραβώντας το ρομπότ πίσω στο νερό κατά την έξοδο. 
• Η γωνία εξόδου: πρέπει να είναι πολύ κοντά στις 70 μοίρες. Μια πιο επίπεδη γωνία δεν παράγει αρκετή κάθετη ώθηση, ενώ μια πιο κατακόρυφη γωνία προκαλεί ανατροπή του ρομπότ προς τα πίσω.

Ανοιχτός κώδικας, χαμηλό κόστος και μελλοντικές εφαρμογές

Το σύστημα προς το παρόν δεν είναι πλήρως αυτόνομο όσον αφορά την πλοήγηση. Οι μέχρι τώρα δοκιμές σε εργαστηριακό περιβάλλον βασίστηκαν σε χειροκίνητες εκκινήσεις και απλούς χρονοδιακόπτες. Οι επόμενοι στόχοι της ομάδας του Raphael Zufferey επικεντρώνονται στην ανάπτυξη αλγορίθμων αυτόνομης πλοήγησης, στη βελτίωση της αντοχής στο αλμυρό νερό και στην αύξηση της εμβέλειας της μπαταρίας.

Το εντυπωσιακότερο στοιχείο της προσπάθειας, ωστόσο, είναι η προσβασιμότητα. Το συνολικό κόστος των υλικών κατασκευής του ρομπότ ανέρχεται μόλις στα 300 δολάρια, χρησιμοποιώντας εξαρτήματα που είναι ευρέως διαθέσιμα. Η ομάδα ερευνητών δημοσίευσε τα αρχεία CAD ανοιχτού κώδικα, επιτρέποντας σε οποιονδήποτε διαθέτει έναν 3D εκτυπωτή να το κατασκευάσει.

Ο απώτερος σκοπός είναι η δημιουργία ενός στόλου «αμφίβιων drones» για περιβαλλοντική παρακολούθηση. Ωκεανογράφοι και θαλάσσιοι βιολόγοι θα μπορούν να εκτοξεύουν το ρομπότ από την ακτή ή από μικρά σκάφη. Το μηχανικό πτηνό θα πετάει σε μεγάλες αποστάσεις προς περιοχές ενδιαφέροντος, θα καταδύεται για να συλλέξει μετρήσεις νερού και θα επιστρέφει πετώντας για να μεταδώσει τα δεδομένα.