شبیه‌سازی پرواز ملخ‌ها می‌تواند کلید ساخت روبات‌های پرنده شناسایی با ابعادی بسیار‌کوچک و قابلیت‌هایی منحصر به فرد باشد.
شبیه‌سازی پرواز ملخ‌ها می‌تواند کلید تکمیل روبات‌های پرنده تجسسی با قابلیت‌هایی منحصر به فرد باشد! تصورش هم جالب است: حشرات مصنوعی پرنده. این دستگاه علاوه بر اینکه می‌تواند تمام حرکات متفاوت بال‌ها و ویژگی‌های سطحی آنها را زمان پرواز شبیه‌سازی کند، می‌تواند چگونگی تغییر شکل بال‌های ملخ را نیز حین پرواز ارزیابی کند.
به گزارش نیوساینتیست، این شبیه‌ساز با سرعتی بسیار‌بالا و استفاده از لامپ فلش، از حرکت ذرات دود در اثر پرواز حشره درون تونل باد، فریم به فریم عکاسی می‌کند، روشی که «سرعت‌سنجی ذرات در سیالات» نام دارد.
استفاده از این روش به محققان دانشگاه آکسفورد اجازه داده تا مدلی کامپیوتری از حرکت بال‌های حشرات تهیه کنند. آنها پس از ساخت این مدل کامپیوتری، نرم‌افزاری را برای ارزیابی دقیق این حرکات طراحی کرده که می‌تواند حرکت بال‌ها را عینا اجرا کند، بلکه قادرست تغییرات ویژگی‌های سطحی بال‌ها را مانند ساختار رگه‌ها، شیارها و چین‌های ایجاد شده، تغییر شکل بال‌ها حین پرواز و حتی تغییراتی که به بهبود عملکرد آیرودینامیک بال‌ها در زمان پرواز منجر می‌شوند، نشان دهد.
آدریان توماس، محقق ارشد این پروژه می‌گوید: «این تحقیق نشان داده است ساختار سطحی بال‌ها در تولید نیروی محرکه‌ای که موجب اوج گرفتن حشره می‌شود، نقش به سزایی دارد».
گروه‌های کاری بسیاری در سراسر جهان مشغول کار و تحقیق در زمینه روبات‌های پرنده هستند، اما این دستگاه بدون شک می‌تواند نقطه عطفی در این تحقیقات باشد. با اینکه اغلب این پژوهش‌ها اهداف نظامی را دنبال می‌کنند، اما توماس معتقد است این حشرات مصنوعی می‌توانند نقش اسباب‌بازی‌های فوق‌العاده‌ای را نیز ایفا کنند. او می‌گوید: «تصور کنید در حالی که روی مبل اتاق نشیمن خانه‌تان نشسته‌اید، مشغول نبرد هوایی با سنجاقکی هستید که از راه دور کنترل می‌شود. این بازی می‌تواند هر کسی را شیفته خودش بکند».
طراحی بال مدل‌های حشرات تاکنون به ایجاد ساختارهای فیزیکی پیچیده از جنس مواد سخت و محاسبه احتمالی شکل حرکت از روی مشاهده پرواز حشرات منحصر بوده است. توماس امیدوار است این دستگاه شبیه‌ساز بتواند حدس‌ها را به فرایندی عملی تغییر دهد، به خصوص اینکه هر حشره پرنده، شکل بال‌هایی منحصر به فرد و الگوی بال‌زدنی اختصاصی دارد.
در جستجوی پرنده کوچک
ساخت هواپیمای کوچک و ابزارهای تجسس در ابعاد مینیاتوری، همیشه موضوع مورد علاقه نیروهای مسلح بوده است. به عنوان مثال وزارت دفاع انگلستان خواستار ساخت ابزاری شناسایی شده که بتواند جلوتر از کاروان‌های حمل سلاح و آذوقه حرکت کند و قابلیت تشخیص مواد منفجره کار‌گذاری شده در مسیر را داشته باشد. در ایالات متحده نیز دارپا (بازوی تحقیقاتی پنتاگون) برای ساخت یک وسیله پرنده در ابعاد بسیار‌کوچک سرمایه‌گذاری کرده است، این ابزار تجسس نباید بیش از 10 گرم وزن داشته باشد و طول بال‌ها هم حداکثر 7.5 سانتی‌متر پیش‌بینی شده است.
ماه گذشته، شرکت AeroVironment در مونروویا، کالیفرنیا که طرف قرارداد دارپا است، اولین روبات پرنده دو بال را که می‌تواند در ارتفاع پایین، ثابت و نزدیک به زمین پرواز کند، به نمایش گذاشت. این روبات شروع خوبی داشت و توانست برای 20 ثانیه در ارتفاع پایین و ثابت پرواز کند. پروژه دیگری که توسط دارپا سرمایه‌گذاری شده، متعلق به دو شرکت Micropropulsion و Daedalus Flight Systems است و پیش‌بینی می‌شود پیش از زمستان امسال و طی همه مراحل، نخستین پرواز آزمایشی خود را انجام دهد.
رونالد فییرینگ، از گروه میکرومکانیک دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و محقق پرواز در این دانشگاه می‌گوید: «ساخت یک روبات 10 گرمی که قادر به بال‌زدن باشد و بتواند در یک ارتفاع ثابت به پرواز ادامه دهد، یک قدم بزرگ در مهندسی به حساب می‌آید. این پژوهش مستلزم درک بهتر و ابداعات تازه است. قدم بعدی مطمئنا افزایش کارایی پرواز در این روبات‌ها خواهد بود، به گونه‌ای که بتوانند چندین دقیقه در شرایط مطلوب به پرواز ادامه دهند».
اما چه‌طور می‌شود ابزارهای پرنده را مؤثرتر از قبل ساخت؟ بی‌شک استفاده از باتری‌های بهتر و مواد اولیه سبک‌ترکمک خوبی خواهد بود، اما مهم‌ترین نکته، بهبود ساختار بال در این ابزارها است که می‌تواند به آنها برای تقلید بهتر پرواز حشرات کمک کند و حتی شرایط به مراتب بهتری را نسبت به حشرات برای آنها فراهم کند.
حشرات چه‌طور پرواز می‌کنند؟
تا اوایل قرن بیستم، کسی اطلاع دقیقی از چگونگی پرواز حشرات نداشت. در سال 1919 / 1298، ویلهلم هوف، مهندس هوانوردی اهل آلمان بر اساس قوانین دینامیک هوا که در آن زمان وجود داشت، به این نتیجه رسید که یک زنبور کارگر هنگام حمل گرده‌ها نمی‌تواند آن‌قدر اوج بگیرد که به وسیله جریان هوا جا به‌جا شود.
تحقیقات تونی مکس‌ورثی از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، در سال 1981/1360 توانست دلیل قانع کننده‌ای برای این موضوع پیدا کند. الگوی کاری که او از بال حشرات غوطه‌ور شده در روغن ایجاد کرده بود، جریان‌های گردابی بزرگی را نشان می‌داد که در لبه خارجی بال‌ها هنگام پرواز ایجاد می‌شدند. در درون این جریان گردبادی، هوا با سرعت بالایی می‌چرخد و در نتیجه به کاهش فشار در قسمت‌های میانی منجر می‌شود. این همان مکانیزمی است که نتیجه آن اوج گرفتن حشره خواهد بود و با دلیل اوج گرفتن هواپیماهای امروزی که در آنها زاویه بال‌ها به شکستن هوا به سمت پایین و ایجاد نیروی مخالف بالابر منجر می‌شود، متفاوت است.
توماس در سال 1996/1375 نیز عضو تیم چارلز الینگتون در دانشگاه کمبریج بود که مکانیزم قدرتمند اوج گرفتن در حشرات را با استفاده از مدل پرواز پروانه بید شناسایی کردند. او می‌گوید: «ما جریان گردبادی را کشف کردیم که در طول تمام ضربه‌های بال حشره رو به پایین پایدار بود».
طبیعت این جریان‌های گردابی به اندازه بال‌های هر حشره، تعداد آنها، الگوی حرکتی‌شان و ساختار بال‌ها بستگی دارد.
این تحقیق زمینه را برای پژوهشگران دیگری نیز فراهم کرده است، مانند رابرت وود و تیم کاری‌اش در دانشگاه هاروارد که روی روش‌های ساخت بال‌های مصنوعی حشرات کار می‌کنند. آنها روش جدیدی را برای ساخت بال‌های انعطاف‌پذیر ابداع کرده‌اند که در آن، از الگوهای ساخت ریزتراشه‌ها استفاده شده است. در این روش از پلیمرهای کشسان و باریکی استفاده می‌شود که توان پشتیبانی از ساختاری با رگه‌های برجسته و موجی شکل را داشته باشند و بتوانند تغییر شکل بال‌ها و دیگر رفتارهای آیرودینامیک آنها را در حشرات واقعی تقلید کنند.
توماس علاوه بر این روی تغییر شکل بال‌های حشرات حین پرواز تمرکز کرده و می‌گوید: «اگر ما موفق به ساخت الگویی از بال حشرات بشویم که تمام انحناها، پیچیدگی‌ها و برجستگی‌های بال را داشته باشد، نمونه‌ای با 50 درصد کارایی بالاتر نسبت به نمونه‌های فعلی - که دارای بال‌های سخت و یکدست هستند - برای تولید نیروی بالابر خواهیم داشت. این می‌تواند به معنی صرفه‌جویی در حجم عظیمی از انرژی مصرفی روبات‌های کوچک پرنده باشد».
تلاش‌ها در این زمینه ادامه خواهند یافت. در حالی که شبیه ساز تیم آکسفورد برای بال‌های ملخ ساخته و آماده شده، محققان این مرکز مشغول تهیه نرم‌افزاری برای الگوبرداری از حرکت بال‌ها و پرواز در مگس گلها هستند و پس از آن هم به سراغ سایر حشرات خواهند رفت.
توماس می‌گوید: «ما ثابت کردیم آیرودینامیک جدید واقعا می‌تواند الگوی پروازی حشرات را به دقت در عمل اجرا کند. عمر قوانین قدیمی که الگو گرفتن از پرواز زنبورهای عسل را غیر‌ممکن می‌دانستند، دیگر گذشته است».
به گزارش نیوساینتیست، این شبیه‌ساز با سرعتی بسیار‌بالا و استفاده از لامپ فلش، از حرکت ذرات دود در اثر پرواز حشره درون تونل باد، فریم به فریم عکاسی می‌کند، روشی که «سرعت‌سنجی ذرات در سیالات» نام دارد.
استفاده از این روش به محققان دانشگاه آکسفورد اجازه داده تا مدلی کامپیوتری از حرکت بال‌های حشرات تهیه کنند. آنها پس از ساخت این مدل کامپیوتری، نرم‌افزاری را برای ارزیابی دقیق این حرکات طراحی کرده که می‌تواند حرکت بال‌ها را عینا اجرا کند، بلکه قادرست تغییرات ویژگی‌های سطحی بال‌ها را مانند ساختار رگه‌ها، شیارها و چین‌های ایجاد شده، تغییر شکل بال‌ها حین پرواز و حتی تغییراتی که به بهبود عملکرد آیرودینامیک بال‌ها در زمان پرواز منجر می‌شوند، نشان دهد.
آدریان توماس، محقق ارشد این پروژه می‌گوید: «این تحقیق نشان داده است ساختار سطحی بال‌ها در تولید نیروی محرکه‌ای که موجب اوج گرفتن حشره می‌شود، نقش به سزایی دارد».
گروه‌های کاری بسیاری در سراسر جهان مشغول کار و تحقیق در زمینه روبات‌های پرنده هستند، اما این دستگاه بدون شک می‌تواند نقطه عطفی در این تحقیقات باشد. با اینکه اغلب این پژوهش‌ها اهداف نظامی را دنبال می‌کنند، اما توماس معتقد است این حشرات مصنوعی می‌توانند نقش اسباب‌بازی‌های فوق‌العاده‌ای را نیز ایفا کنند. او می‌گوید: «تصور کنید در حالی که روی مبل اتاق نشیمن خانه‌تان نشسته‌اید، مشغول نبرد هوایی با سنجاقکی هستید که از راه دور کنترل می‌شود. این بازی می‌تواند هر کسی را شیفته خودش بکند».
طراحی بال مدل‌های حشرات تاکنون به ایجاد ساختارهای فیزیکی پیچیده از جنس مواد سخت و محاسبه احتمالی شکل حرکت از روی مشاهده پرواز حشرات منحصر بوده است. توماس امیدوار است این دستگاه شبیه‌ساز بتواند حدس‌ها را به فرایندی عملی تغییر دهد، به خصوص اینکه هر حشره پرنده، شکل بال‌هایی منحصر به فرد و الگوی بال‌زدنی اختصاصی دارد.
در جستجوی پرنده کوچک
ساخت هواپیمای کوچک و ابزارهای تجسس در ابعاد مینیاتوری، همیشه موضوع مورد علاقه نیروهای مسلح بوده است. به عنوان مثال وزارت دفاع انگلستان خواستار ساخت ابزاری شناسایی شده که بتواند جلوتر از کاروان‌های حمل سلاح و آذوقه حرکت کند و قابلیت تشخیص مواد منفجره کار‌گذاری شده در مسیر را داشته باشد. در ایالات متحده نیز دارپا (بازوی تحقیقاتی پنتاگون) برای ساخت یک وسیله پرنده در ابعاد بسیار‌کوچک سرمایه‌گذاری کرده است، این ابزار تجسس نباید بیش از 10 گرم وزن داشته باشد و طول بال‌ها هم حداکثر 7.5 سانتی‌متر پیش‌بینی شده است.
ماه گذشته، شرکت AeroVironment در مونروویا، کالیفرنیا که طرف قرارداد دارپا است، اولین روبات پرنده دو بال را که می‌تواند در ارتفاع پایین، ثابت و نزدیک به زمین پرواز کند، به نمایش گذاشت. این روبات شروع خوبی داشت و توانست برای 20 ثانیه در ارتفاع پایین و ثابت پرواز کند. پروژه دیگری که توسط دارپا سرمایه‌گذاری شده، متعلق به دو شرکت Micropropulsion و Daedalus Flight Systems است و پیش‌بینی می‌شود پیش از زمستان امسال و طی همه مراحل، نخستین پرواز آزمایشی خود را انجام دهد.
رونالد فییرینگ، از گروه میکرومکانیک دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و محقق پرواز در این دانشگاه می‌گوید: «ساخت یک روبات 10 گرمی که قادر به بال‌زدن باشد و بتواند در یک ارتفاع ثابت به پرواز ادامه دهد، یک قدم بزرگ در مهندسی به حساب می‌آید. این پژوهش مستلزم درک بهتر و ابداعات تازه است. قدم بعدی مطمئنا افزایش کارایی پرواز در این روبات‌ها خواهد بود، به گونه‌ای که بتوانند چندین دقیقه در شرایط مطلوب به پرواز ادامه دهند».
اما چه‌طور می‌شود ابزارهای پرنده را مؤثرتر از قبل ساخت؟ بی‌شک استفاده از باتری‌های بهتر و مواد اولیه سبک‌ترکمک خوبی خواهد بود، اما مهم‌ترین نکته، بهبود ساختار بال در این ابزارها است که می‌تواند به آنها برای تقلید بهتر پرواز حشرات کمک کند و حتی شرایط به مراتب بهتری را نسبت به حشرات برای آنها فراهم کند.
حشرات چه‌طور پرواز می‌کنند؟
تا اوایل قرن بیستم، کسی اطلاع دقیقی از چگونگی پرواز حشرات نداشت. در سال 1919 / 1298، ویلهلم هوف، مهندس هوانوردی اهل آلمان بر اساس قوانین دینامیک هوا که در آن زمان وجود داشت، به این نتیجه رسید که یک زنبور کارگر هنگام حمل گرده‌ها نمی‌تواند آن‌قدر اوج بگیرد که به وسیله جریان هوا جا به‌جا شود.
تحقیقات تونی مکس‌ورثی از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، در سال 1981/1360 توانست دلیل قانع کننده‌ای برای این موضوع پیدا کند. الگوی کاری که او از بال حشرات غوطه‌ور شده در روغن ایجاد کرده بود، جریان‌های گردابی بزرگی را نشان می‌داد که در لبه خارجی بال‌ها هنگام پرواز ایجاد می‌شدند. در درون این جریان گردبادی، هوا با سرعت بالایی می‌چرخد و در نتیجه به کاهش فشار در قسمت‌های میانی منجر می‌شود. این همان مکانیزمی است که نتیجه آن اوج گرفتن حشره خواهد بود و با دلیل اوج گرفتن هواپیماهای امروزی که در آنها زاویه بال‌ها به شکستن هوا به سمت پایین و ایجاد نیروی مخالف بالابر منجر می‌شود، متفاوت است.
توماس در سال 1996/1375 نیز عضو تیم چارلز الینگتون در دانشگاه کمبریج بود که مکانیزم قدرتمند اوج گرفتن در حشرات را با استفاده از مدل پرواز پروانه بید شناسایی کردند. او می‌گوید: «ما جریان گردبادی را کشف کردیم که در طول تمام ضربه‌های بال حشره رو به پایین پایدار بود».
طبیعت این جریان‌های گردابی به اندازه بال‌های هر حشره، تعداد آنها، الگوی حرکتی‌شان و ساختار بال‌ها بستگی دارد.
این تحقیق زمینه را برای پژوهشگران دیگری نیز فراهم کرده است، مانند رابرت وود و تیم کاری‌اش در دانشگاه هاروارد که روی روش‌های ساخت بال‌های مصنوعی حشرات کار می‌کنند. آنها روش جدیدی را برای ساخت بال‌های انعطاف‌پذیر ابداع کرده‌اند که در آن، از الگوهای ساخت ریزتراشه‌ها استفاده شده است. در این روش از پلیمرهای کشسان و باریکی استفاده می‌شود که توان پشتیبانی از ساختاری با رگه‌های برجسته و موجی شکل را داشته باشند و بتوانند تغییر شکل بال‌ها و دیگر رفتارهای آیرودینامیک آنها را در حشرات واقعی تقلید کنند.
توماس علاوه بر این روی تغییر شکل بال‌های حشرات حین پرواز تمرکز کرده و می‌گوید: «اگر ما موفق به ساخت الگویی از بال حشرات بشویم که تمام انحناها، پیچیدگی‌ها و برجستگی‌های بال را داشته باشد، نمونه‌ای با 50 درصد کارایی بالاتر نسبت به نمونه‌های فعلی - که دارای بال‌های سخت و یکدست هستند - برای تولید نیروی بالابر خواهیم داشت. این می‌تواند به معنی صرفه‌جویی در حجم عظیمی از انرژی مصرفی روبات‌های کوچک پرنده باشد».
تلاش‌ها در این زمینه ادامه خواهند یافت. در حالی که شبیه ساز تیم آکسفورد برای بال‌های ملخ ساخته و آماده شده، محققان این مرکز مشغول تهیه نرم‌افزاری برای الگوبرداری از حرکت بال‌ها و پرواز در مگس گلها هستند و پس از آن هم به سراغ سایر حشرات خواهند رفت.
توماس می‌گوید: «ما ثابت کردیم آیرودینامیک جدید واقعا می‌تواند الگوی پروازی حشرات را به دقت در عمل اجرا کند. عمر قوانین قدیمی که الگو گرفتن از پرواز زنبورهای عسل را غیر‌ممکن می‌دانستند، دیگر گذشته است».
No comments:
Post a Comment