Autonome svævefly kan flyve som en albatros, krydstogt som en sejlbåd

MIT-ingeniører har designet et robotsvævefly, der kan skumme langs vandoverfladen, rider med vinden som en albatros, mens du også surfer på bølgerne som en sejlbåd.

I områder med kraftig vind, robotten er designet til at holde sig i luften, meget som sin fuglemodstykke. Hvor der er roligere vinde, robotten kan dyppe en køl i vandet for i stedet at sejle som en højeffektiv sejlbåd.

Robotsystemet, som låner fra både nautiske og biologiske designs, kan tilbagelægge en given distance ved at bruge en tredjedel så meget vind som en albatros og sejle 10 gange hurtigere end en typisk sejlbåd. Svæveflyet er også relativt let, vejer omkring 6 pund. Forskerne håber, at i den nærmeste fremtid, så kompakt, hurtige robotvandskimmere kan blive indsat i teams for at undersøge store dele af havet.

"Havene forbliver stærkt underovervåget, " siger Gabriel Bousquet, en tidligere postdoc i MIT's Department of Aeronautics and Astronautics, der ledede designet af robotten som en del af sit kandidatspeciale. "I særdeleshed, det er meget vigtigt at forstå det sydlige ocean, og hvordan det interagerer med klimaændringer. Men det er meget svært at komme dertil. Vi kan nu bruge energien fra miljøet på en effektiv måde til at foretage denne langdistancerejse, med et system, der forbliver lille."

Bousquet vil præsentere detaljer om robotsystemet i denne uge på IEEE's International Conference on Robotics and Automation, i Brisbane, Australien. Hans samarbejdspartnere på projektet er Jean-Jacques Slotine, professor i maskinteknik og informationsvidenskab og i hjernevidenskab; og Michael Triantafyllou, Henry L. og Grace Doherty professor i havvidenskab og ingeniørvidenskab.

Hastighedens fysik

Sidste år, Bousquet, Slotine, og Triantafyllou offentliggjorde en undersøgelse om dynamikken i albatrossflyvning, hvor de identificerede mekanikken, der gør det muligt for den utrættelige rejsende at tilbagelægge store afstande, mens de bruger minimalt med energi. Nøglen til fuglens maratonrejser er dens evne til at ride ind og ud af luftlag med høj og lav hastighed.

Specifikt, forskerne fandt, at fuglen er i stand til at udføre en mekanisk proces kaldet en "overførsel af momentum, "hvor det tager momentum fra højere, hurtigere lag af luft, og ved at dykke ned overføres det momentum til lavere, langsommere lag, driver sig selv frem uden konstant at skulle slå med vingerne.

Interessant nok, Bousquet bemærkede, at albatrossflyvningens fysik er meget lig den for sejlbådsrejser. Både albatrossen og sejlbåden overfører momentum for at blive ved med at bevæge sig. Men i tilfældet med sejlbåden, at overførsel ikke sker mellem luftlag, men mellem luft og vand.

"Sejlbåde tager fart fra vinden med deres sejl, og sprøjte det ind i vandet ved at skubbe tilbage med deres køl, " Bousquet forklarer. "Det er sådan energi udvindes til sejlbåde."

Bousquet indså også, at den hastighed, hvormed både en albatros og en sejlbåd kan sejle, afhænger af den samme generelle ligning, relateret til overførsel af momentum. I det væsentlige, både fuglen og båden kan rejse hurtigere, hvis de enten nemt kan holde sig i luften eller interagere med to lag, eller medier, med meget forskellige hastigheder.

Albatrossen klarer sig godt med førstnævnte, da dens vinger giver naturlig løft, selvom den flyver mellem luftlag med en forholdsvis lille forskel i vindhastigheder. I mellemtiden sejlbåden udmærker sig ved sidstnævnte, rejser mellem to medier med meget forskellige hastigheder - luft versus vand - selvom skroget skaber en masse friktion og forhindrer det i at få meget fart. Bousquet undrede sig:Hvad nu hvis et køretøj kunne designes til at præstere godt i begge metrikker, at forene både albatrossens og sejlbådens højhastighedsegenskaber?

"Vi troede, hvordan kunne vi tage det bedste fra begge verdener?" siger Bousquet.

Ude på vandet

Holdet udarbejdede et design til sådan et hybridbil, som i sidste ende lignede et autonomt svævefly med et 3 meter vingefang, ligner en typisk albatros. De tilføjede en høj, trekantede sejl, samt en slank, vingelignende køl. De udførte derefter nogle matematiske modeller for at forudsige, hvordan et sådant design ville rejse.

Ifølge deres beregninger, det vinddrevne køretøj ville kun have brug for relativt rolige vinde på omkring 5 knob for at glide hen over vandet med en hastighed på omkring 20 knob, eller 23 miles i timen.

"Vi fandt ud af, at i let vind kan du rejse omkring tre til 10 gange hurtigere end en traditionel sejlbåd, og du har brug for omkring halvt så meget vind som en albatros, at nå 20 knob, Bousquet siger. "Det er meget effektivt, og du kan rejse meget hurtigt, selvom der ikke er for meget vind."

Holdet byggede en prototype af deres design, ved hjælp af en svæveflyveskrog designet af Mark Drela, professor i luftfart og astronautik ved MIT. Til bunden af ​​svæveflyet tilføjede de en køl, sammen med forskellige instrumenter, såsom GPS, inertimålesensorer, autopilot instrumentering, og ultralyd, at spore svæveflyets højde over vandet.

"Målet her var at vise, at vi kan kontrollere meget præcist, hvor højt vi er over vandet, og at vi kan få robotten til at flyve over vandet, derefter ned til hvor kølen kan gå under vandet for at generere en kraft, og flyet kan stadig flyve, " siger Bousquet.

Forskerne besluttede at teste denne "kritiske manøvre" - handlingen med at skifte mellem at flyve i luften og dyppe kølen ned for at sejle i vandet. At udføre dette træk kræver ikke nødvendigvis et sejl, så Bousquet og hans kolleger besluttede ikke at inkludere en for at forenkle de indledende eksperimenter.

I efteråret 2016 holdet satte sit design på prøve, lancering af robotten fra MIT Sailing Pavilion ud på Charles River. Da robotten manglede et sejl og enhver mekanisme til at få den i gang, holdet hængte den fra en fiskestang fastgjort til en hvalfangerbåd. Med denne opsætning, båden bugserede robotten langs floden, indtil den nåede omkring 20 miles i timen, på hvilket tidspunkt robotten autonomt "lettede, "rider vinden på egen hånd.

Engang fløj den autonomt, Bousquet brugte en fjernbetjening til at give robotten en "ned"-kommando, får den til at dykke lavt nok til at nedsænke sin køl i floden. Næste, han justerede køleretningen, og observerede, at robotten var i stand til at styre væk fra båden som forventet. Han gav derefter en kommando til robotten om at flyve op igen, løfte kølen op af vandet.

"Vi fløj meget tæt på overfladen, og der var meget lille fejlmargin – alt skulle være på plads, " siger Bousquet. "Så det var meget høj stress, men meget spændende."

Eksperimenterne, han siger, bevise, at holdets konceptuelle enhed kan rejse med succes, drevet af vinden og vandet. Til sidst, han forestiller sig flåder af sådanne køretøjer, der autonomt og effektivt overvåger store vidder af havet.

"Forestil dig, at du kunne flyve som en albatros, når det blæser rigtigt, og så når der ikke er nok vind, kølen giver dig mulighed for at sejle som en sejlbåd, " siger Bousquet. "Dette udvider dramatisk den slags regioner, hvor du kan tage hen."