قام الباحثون ببناء طائرة بدون طيار يمكنها المشي والقفز والقفز في الطيران بمساعدة أرجل تشبه الطيور، مما يوسع بشكل كبير نطاق البيئات المحتملة التي يمكن للمركبات الجوية بدون طيار الوصول إليها.
“كما يطير الغراب” هو مصطلح شائع يشير إلى أقصر مسافة بين نقطتين، لكن مختبر الأنظمة الذكية، بقيادة داريو فلوريانو، في كلية الهندسة في EPFL، استخدم العبارة حرفيًا باستخدام RAVEN (مركبة روبوتية مستوحاة من الطيور من أجل بيئات متعددة). صُممت الأرجل الآلية متعددة الوظائف على أساس الطيور الجاثمة مثل الغربان والغربان التي تتنقل بين الهواء والأرض، وتسمح لها بالإقلاع بشكل مستقل في بيئات لم يكن من الممكن الوصول إليها في السابق للطائرات بدون طيار.
يقول مرشح الدكتوراه في LIS Won Dong Shin: “كانت الطيور مصدر إلهام للطائرات في المقام الأول، وقد جعل الأخوان رايت هذا الحلم حقيقة، ولكن حتى طائرات اليوم لا تزال بعيدة تمامًا عن ما تستطيع الطيور القيام به”. “يمكن للطيور الانتقال من المشي إلى الجري في الهواء والعودة مرة أخرى، دون مساعدة مدرج أو قاذفة. ولا تزال المنصات الهندسية لهذه الأنواع من الحركات مفقودة في مجال الروبوتات.”
يهدف تصميم RAVEN إلى زيادة تنوع المشية إلى الحد الأقصى مع تقليل الكتلة. مستوحى من نسب أرجل الطيور (والملاحظات المطولة للغربان في حرم مدرسة EPFL)، صمم شين مجموعة من أرجل الطيور المخصصة ومتعددة الوظائف لطائرة بدون طيار ذات أجنحة ثابتة. استخدم مجموعة من النماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية والتكرارات التجريبية لتحقيق التوازن الأمثل بين تعقيد الساق والوزن الإجمالي للطائرة بدون طيار (0.62 كجم). تحافظ الساق الناتجة على المكونات الأثقل بالقرب من “الجسم”، بينما تحاكي مجموعة من النوابض والمحركات أوتار وعضلات الطيور القوية. أقدام خفيفة الوزن مستوحاة من الطيور تتكون من هيكلين مفصليين تعمل على تعزيز المفصل المرن السلبي الذي يدعم الأوضاع المتنوعة للمشي والقفز والقفز.
يقول فلوريانو: “إن ترجمة أرجل الطيور وأقدامها إلى نظام آلي خفيف الوزن قدم لنا مشاكل التصميم والتكامل والتحكم التي حلتها الطيور بأناقة على مدار التطور”. “لم يقودنا هذا إلى ابتكار أكثر الطائرات بدون طيار المجنحة متعددة الوسائط حتى الآن فحسب، بل قادنا أيضًا إلى تسليط الضوء على الكفاءة النشطة للقفز من أجل الإقلاع في كل من الطيور والطائرات بدون طيار.” وقد تم نشر البحث في طبيعة.
وصول أفضل لعمليات التسليم أو الإغاثة في حالات الكوارث
كانت الروبوتات السابقة المصممة للمشي ثقيلة جدًا بحيث لا يمكنها القفز، في حين أن الروبوتات المصممة للقفز لم يكن لديها أقدام مناسبة للمشي. يسمح تصميم RAVEN الفريد له بالمشي واجتياز الفجوات في التضاريس وحتى القفز على سطح مرتفع يبلغ ارتفاعه 26 سم. جرب العلماء أيضًا أوضاعًا مختلفة لبدء الطيران، بما في ذلك الإقلاع أثناء الوقوف والسقوط، ووجدوا أن القفز أثناء الطيران حقق الاستخدام الأكثر كفاءة للطاقة الحركية (السرعة) والطاقة الكامنة (كسب الارتفاع). تعاون باحثو LIS مع Auke Ijspeert من مختبر BioRobotics في EPFL، ومع مختبر الميكانيكا العصبية التابع لمونيكا دالي في جامعة كاليفورنيا، إيرفين، لتكييف الميكانيكا الحيوية للطيور مع الحركة الآلية.
تمثل هذه النتائج مجرد خطوة أولى نحو فهم أفضل لمبادئ التصميم والتحكم في الحيوانات الطائرة متعددة الوسائط، وترجمتها إلى طائرات بدون طيار رشيقة وفعالة من حيث الطاقة.
البروفيسور داريو فلوريانو، رئيس مختبر الأنظمة الذكية
بالإضافة إلى توضيح تكاليف وفوائد الأرجل القوية في الطيور التي تنتقل بشكل متكرر بين الهواء والأرض، تقدم النتائج تصميمًا خفيف الوزن للطائرات بدون طيار المجنحة التي يمكنها التحرك على الأراضي الوعرة والإقلاع من مواقع محظورة دون تدخل بشري. تتيح هذه القدرات استخدام هذه الطائرات بدون طيار في التفتيش والتخفيف من آثار الكوارث والتوصيل في المناطق المحصورة. يعمل فريق EPFL بالفعل على تحسين التصميم والتحكم في الأرجل لتسهيل الهبوط في مجموعة متنوعة من البيئات.
“أجنحة الطيور تعادل الأرجل الأمامية في ذوات الأربع الأرضية، ولكن لا يُعرف سوى القليل عن تنسيق الأرجل والأجنحة في الطيور – ناهيك عن الطائرات بدون طيار. تمثل هذه النتائج مجرد خطوة أولى نحو فهم أفضل لمبادئ التصميم والتحكم في الوسائط المتعددة. يقول فلوريانو: “الحيوانات الطائرة، وترجمتها إلى طائرات بدون طيار رشيقة وفعالة من حيث الطاقة”.
مراجع
شين، WD، فان، HV.، دالي، MA وآخرون. انتقال سريع من الأرض إلى الجو مع أرجل متعددة الوظائف مستوحاة من الطيور. طبيعة 636، 86-91 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586’024 -08228-9
