MIT-ingenieurs hebben een robotzweefvliegtuig ontworpen dat langs het wateroppervlak kan scheren, op de wind rijden als een albatros en tegelijkertijd op de golven surfen als een zeilboot.

In gebieden met veel wind, de robot is ontworpen om in de lucht te blijven, net als zijn aviaire tegenhanger. Waar rustigere winden zijn, de robot kan een kiel in het water dompelen om in plaats daarvan als een zeer efficiënte zeilboot te varen.

Het robotsysteem, die leent van zowel nautische als biologische ontwerpen, kan een bepaalde afstand afleggen met een derde zoveel wind als een albatros en 10 keer sneller dan een typische zeilboot. Het zweefvliegtuig is ook relatief licht van gewicht, met een gewicht van ongeveer 6 pond. De onderzoekers hopen dat in de nabije toekomst zo compact, snelle robotachtige waterskimmers kunnen in teams worden ingezet om grote delen van de oceaan te onderzoeken.

"De oceanen blijven enorm onderbelicht, " zegt Gabriël Bousquet, een voormalig postdoc in het MIT's Department of Aeronautics and Astronautics, die het ontwerp van de robot leidde als onderdeel van zijn afstudeerscriptie. "Vooral, het is erg belangrijk om de Zuidelijke Oceaan te begrijpen en hoe deze in wisselwerking staat met klimaatverandering. Maar het is heel moeilijk om daar te komen. We kunnen nu de energie uit het milieu op een efficiënte manier gebruiken om deze lange reis te maken, met een systeem dat kleinschalig blijft."

Bousquet zal deze week details van het robotsysteem presenteren op IEEE's International Conference on Robotics and Automation, in Brisbane, Australië. Zijn medewerkers aan het project zijn Jean-Jacques Slotine, hoogleraar werktuigbouwkunde en informatiewetenschappen en hersenwetenschappen; en Michael Triantafyllou, de Henry L. en Grace Doherty Professor in Ocean Science and Engineering.

De fysica van snelheid

Vorig jaar, boeket, Slotijn, en Triantafyllou publiceerden een studie over de dynamiek van albatrosvluchten, waarin ze de mechanismen identificeerden die de onvermoeibare reiziger in staat stellen om grote afstanden af ​​te leggen met minimale energie. De sleutel tot de marathonreizen van de vogel is zijn vermogen om in en uit luchtlagen met hoge en lage snelheid te rijden.

specifiek, de onderzoekers ontdekten dat de vogel een mechanisch proces kan uitvoeren dat een "overdracht van momentum, " waarin het momentum van hoger neemt, snellere luchtlagen, en door naar beneden te duiken brengt dat momentum over naar lager, langzamere lagen, zichzelf voortbewegen zonder voortdurend met zijn vleugels te hoeven klappen.

interessant, Bousquet merkte op dat de fysica van albatrosvluchten erg lijkt op die van zeilbootreizen. Zowel de albatros als de zeilboot brengen het momentum over om in beweging te blijven. Maar in het geval van de zeilboot, dat overdracht niet tussen luchtlagen plaatsvindt, maar tussen lucht en water.

"Zeilboten halen vaart uit de wind met hun zeil, en in het water injecteren door met hun kiel terug te duwen, " legt Bousquet uit. "Zo wordt energie gewonnen voor zeilboten."

Bousquet realiseerde zich ook dat de snelheid waarmee zowel een albatros als een zeilboot kunnen reizen afhangt van dezelfde algemene vergelijking, in verband met de overdracht van momentum. Eigenlijk, zowel de vogel als de boot kunnen sneller reizen als ze ofwel gemakkelijk in de lucht kunnen blijven of kunnen communiceren met twee lagen, of mediums, van zeer verschillende snelheden.

De albatros doet het goed met de eerste, omdat zijn vleugels een natuurlijke lift geven, hoewel het tussen luchtlagen vliegt met een relatief klein verschil in windsnelheden. In de tussentijd, de zeilboot blinkt uit in het laatste, reizen tussen twee mediums met zeer verschillende snelheden - lucht versus water - hoewel de romp veel wrijving veroorzaakt en voorkomt dat deze veel snelheid krijgt. Bousquet vroeg zich af:wat als een voertuig zou kunnen worden ontworpen om goed te presteren in beide metrische trouwen met de hogesnelheidskwaliteiten van zowel de albatros als de zeilboot?

"Wij dachten, hoe kunnen we het beste uit beide werelden halen?" zegt Bousquet.

Op het water

Het team maakte een ontwerp voor zo'n hybride voertuig, die uiteindelijk leek op een autonoom zweefvliegtuig met een spanwijdte van 3 meter, vergelijkbaar met die van een typische albatros. Ze voegden een lange, driehoekig zeil, evenals een slanke, vleugelachtige kiel. Vervolgens voerden ze een aantal wiskundige modellen uit om te voorspellen hoe een dergelijk ontwerp zou reizen.

Volgens hun berekeningen het door de wind aangedreven voertuig zou slechts relatief kalme wind van ongeveer 5 knopen nodig hebben om met een snelheid van ongeveer 20 knopen over water te zippen, of 23 mijl per uur.

"We ontdekten dat je bij lichte wind ongeveer drie tot tien keer sneller kunt reizen dan een traditionele zeilboot, en je hebt ongeveer half zoveel wind nodig als een albatros, 20 knopen bereiken, " zegt Bousquet. "Het is heel efficiënt, en je kunt heel snel reizen, zelfs als er niet te veel wind is."

Het team bouwde een prototype van hun ontwerp, met behulp van een zweefvliegtuig casco ontworpen door Mark Drela, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. Aan de onderkant van het zweefvliegtuig voegden ze een kiel toe, samen met verschillende instrumenten, zoals gps-, traagheidsmetingssensoren, automatische piloot instrumentatie, en echografie, om de hoogte van het zweefvliegtuig boven het water te volgen.

"Het doel hier was om te laten zien dat we heel precies kunnen bepalen hoe hoog we boven het water zijn, en dat we de robot boven het water kunnen laten vliegen, dan naar beneden tot waar de kiel onder water kan gaan om een ​​kracht op te wekken, en het vliegtuig kan nog steeds vliegen, ' zegt Bouquet.

De onderzoekers besloten om deze "kritieke manoeuvre" te testen - de handeling van de overgang tussen vliegen in de lucht en de kiel naar beneden dompelen om in het water te zeilen. Het uitvoeren van deze beweging vereist niet per se een zeil, daarom besloten Bousquet en zijn collega's er geen op te nemen om voorlopige experimenten te vereenvoudigen.

In het najaar van 2016, het team stelde zijn ontwerp op de proef, het lanceren van de robot vanaf het MIT Sailing Pavilion op de Charles River. Omdat de robot geen zeil en enig mechanisme had om hem op gang te krijgen, het team hing het aan een hengel die aan een walvisvaarder was bevestigd. Met deze opstelling, de boot sleepte de robot langs de rivier tot hij ongeveer 20 mijl per uur bereikte, op welk punt de robot autonoom "opsteeg, "Zelf op de wind rijden.

Ooit vloog het autonoom, Bousquet gebruikte een afstandsbediening om de robot een "omlaag"-commando te geven, waardoor het laag genoeg duikt om zijn kiel in de rivier onder te dompelen. Volgende, hij paste de richting van de kiel aan, en merkte op dat de robot zoals verwacht van de boot weg kon sturen. Hij gaf toen het bevel aan de robot om terug te vliegen, hijs de kiel uit het water.

"We vlogen heel dicht bij de oppervlakte, en er was heel weinig marge voor fouten - alles moest op zijn plaats zijn, "zegt Bousquet. "Dus het was erg hoge stress, maar heel spannend."

de experimenten, hij zegt, bewijzen dat het conceptuele apparaat van het team succesvol kan reizen, aangedreven door de wind en het water. Eventueel, hij stelt zich vloten van dergelijke voertuigen voor die autonoom en efficiënt grote delen van de oceaan in de gaten houden.

"Stel je voor dat je zou kunnen vliegen als een albatros als het echt winderig is, en dan als er niet genoeg wind is, de kiel laat je varen als een zeilboot, ", zegt Bousquet. "Dit breidt het soort regio's waar je naartoe kunt drastisch uit."