Amfibieflyet utviklet av EPFL og MIT er inspirert av dykkende dyr: det tar av, dykker, kommer til overflaten og returnerer til luften uten å endre fremdrift.

Å krysse grensen mellom luft og vann representerer en av de mest komplekse utfordringene innen robotikk. De to miljøene har dypt forskjellige fysiske egenskaper: vann er omtrent tusen ganger tettere enn luft og krever helt forskjellige fremdrifts-, kontroll- og energiforbruksstrategier. Av denne grunn har amfibiske roboter som er utviklet til dags dato generelt brukt separate systemer for flyging og svømming, eller har måttet stole på propeller, flottører eller oppskytningsramper for å komme tilbake til luften.

En gruppe forskere fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) og av Massachusetts Institute of Technology (MIT) har i stedet vist at det er mulig å håndtere begge bevegelsesmåtene med en enkelt mekanisk arkitektur. Resultatet er Flapping-wing Aerial-Aquatic Vehicle (FAAV), en bioinspirert robot som kan svømme under vann, bryte overflaten og umiddelbart gjenoppta flygingen bare ved å fortsette å flakse med vingene. Studien ble publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Vitenskap.

Prosjektet stammer fra observasjonen av en liten gruppe sjøfugler som kan navigere effektivt i begge miljøer. Lom, måker, lundefugler og petreller bruker de samme vingene for å generere løft under flyging og skyvekraft under svømming, og tilpasser bevegelsen sin til egenskapene til væsken de navigerer i. Å oversette denne evnen til et robotsystem krevde år med studier av dyrebiomekanikk og en rekke eksperimentelle forsøk.

Hovedforskningslederen er Raphael Zufferey, nå assisterende professor ved MIT etter en forskningsperiode ved EPFL. Det opprinnelige målet var ikke så mye å bygge en ny amfibisk drone som å forstå prinsippene som lar dykkende fugler overvinne en overgang som, fra et ingeniørperspektiv, virker ekstremt vanskelig.

Fleksible vinger og én fremdriftsenhet for to motsatte miljøer

FAAV veier mindre enn 300 gram og består av en vanntett sentral flykropp, to fleksible vinger og en svingbar hale. Inne i kroppen er det et batteri og en vanntett elektrisk motor som, gjennom en veivaksel, gir vingene den oscillerende bevegelsen som er nødvendig for både svømming og flyging. Vingemembranene er også dekket med hydrofobe nanopartikler, som favoriserer rask avløsning av vannet under fremveksten.

Et av de mest interessante aspektene gjelder systemets modularitet. Forskerne har laget tre forskjellige vingekonfigurasjoner, med åpninger på 60, 80 og 100 centimeter, for å forstå hvilken kombinasjon som ga det beste kompromisset mellom løft, skyvekraft og manøvrerbarhet. Testene viste at mellomløsningen 80 centimeter sikrer den mest balanserte oppførselen både i vann og i luften.

Vingefleksibilitet har vist seg å være like avgjørende. Altfor stive strukturer forbedrer flyging, men øker hydrodynamisk luftmotstand; overdrevent deformerbare vinger letter svømming, men produserer ikke tilstrekkelig løft etter overflaten. Optimal oppførsel er dermed et resultat av et kompromiss som er veldig likt det som har utviklet seg hos sjøfugler over millioner av år.

Tester mellom universitetets eksperimentelle tank og Genfersjøen

For å bekrefte robotens funksjon utførte gruppen en lang rekke tester, først i en eksperimentell tank og deretter i Genfersjøen, i Sveits. Under hver test ble fartøyet plassert omtrent en halv meter dypt og programmert med forskjellige vingeslagfrekvenser og forskjellige halehelninger. Målet var å identifisere kombinasjonene som kunne sikre en stabil overgang fra vann til luft uten tap av kontroll.

Resultatene viste at roboten kan svømme i hastigheter nær én meter per sekund med en frekvens på omtrent fem slag per sekund, mens den er i luften når den omtrent seks meter per sekund opprettholder en lignende frekvens. Ytelsen er overraskende nær verdiene observert hos dykkende fugler av sammenlignbar størrelse.

Den mest delikate fasen er å krysse overflaten. For å forhindre at vingespissene treffer vannet under flapsingen, må roboten innta en helning på omtrent 70 graderEn lavere vinkel forhindrer avgang, mens en høyere vinkel øker risikoen for at flyet umiddelbart faller tilbake i vannet. Kombinasjonen av vingespenn, oscillasjonsfrekvens og halevinkel skaper derfor en ekstremt presis balanse som lar FAAV-flyet gå over fra ett miljø til et annet uten å avbryte vingenes bevegelse.

Avgang er vellykket uten hjelp av ben eller separate thrustere.

Kombinasjonen som forskerne har identifisert, gjør at FAAV-flyet kan fullføre hele sekvensen uten bruk av ekstra propeller, flytende flytere eller andre thrustere. Etter å ha svømt under overflaten, orienterer fartøyet kroppen oppover ved hjelp av den motordrevne halen, fortsetter å slå med vingene og bruker den akkumulerte skyvekraften til overflaten. Når flykroppen stiger over vannet, genererer den samme bevegelsen løftekraften som trengs for å fortsette i luften.

Evnen til å fullføre denne overgangen uten å bruke beina skiller også roboten fra oppførselen til mange dykkende fugler. Flere arter padler på overflaten for å øke farten før de letter når de trenger å gjenvinne høyde. Prototypen ble utviklet mellom Lausanne e Cambridge I stedet klarer den å direkte forvandle hjerterytmen under vann til en startmanøver.

Raphael Zufferey Han forklarte at nettopp fraværet av et apparat tilsvarende bein var et av de sentrale spørsmålene i forskningen.

«Hvis du ser på fugler, må de fleste av dem padle på overflaten med føttene for å lette. Spørsmålet var om det var nødvendig å gjøre det samme med roboter, men vi oppdaget at det ikke er det. Ingen hadde ennå klart å fly opp av vannet ved hjelp av vingene sine.»

Resultatet avhenger ikke av én enkelt komponent, men av samspillet mellom vingegeometri, membranelastisitet, oscillasjonsfrekvens og haletrim. En liten variasjon i noen av disse parameterne kan forhindre overflatetilbakeslag eller gjøre overgangen til flyging ustabil. FAAV fungerer derfor som et integrert system, der mekanikken samtidig må tilpasse seg hydrodynamisk motstand og aerodynamiske krav.

Sammenligningen med dyr tillot også kontrollerte studier av noen prinsipper som er vanskelige å isolere i naturen. Fugler endrer kontinuerlig holdning, ledd og hjerteslagamplitude; roboten, derimot,

Det lar deg sette presise verdier og observere hvordan hvert valg påvirker hastighet, stabilitet og evnen til å krysse overflaten. Prototypen blir dermed ikke bare et mulig operasjonelt middel, men også et verktøy for å analysere biomekanikk i amfibiers bevegelse.

Fra isfjell til havner, oppdragene som allerede er tenkt ut til sjøs

Søknadene som gruppen har vurdert gjelder hovedsakelighavutforskning og datainnsamling i områder som er vanskelige eller risikable for tradisjonelle fartøy. Et lett kjøretøy kan sjøsette fra kysten eller et skip, raskt fly til området som skal kartlegges, dykke for å ta en måling eller samle en prøve, og deretter returnere til basen med den innsamlede informasjonen.

Eksempler inkluderer: isfjell, havneinfrastruktur og områder som besøkes av hvaler. I hvert av disse miljøene ville muligheten til å veksle mellom luft og vann unngå å måtte bruke to forskjellige metoder, en luftbåren og en under vann, eller manuelt hente enheten etter hvert dykk.

Zufferey beskrev et mulig oppdrag der oseanografer, marinbiologer og kystsamfunn ville lansere roboten fra en båt eller direkte fra land.

«Visjonen vår er at roboten skal fly nær et interessant område – for eksempel et isfjell, et havneanlegg eller en hvalflokk – dykke for å ta en måling eller samle inn en prøve, og deretter returnere for å levere dataene til en brøkdel av kostnaden for tradisjonelle metoder. Deretter kan den dra ut på et nytt dykk.»

Referansen til kostnader er ennå ikke ensbetydende med en fullstendig økonomisk evaluering. FAAV er fortsatt en eksperimentell prototype Forskningen gir ikke en operasjonell sammenligning med oseanografiske fartøy, autonome undervannsfartøy eller kommersielle droner. Den potensielle fordelen stammer først og fremst fra reduksjonen i oppskytnings- og bergingsoperasjoner og evnen til å dekke avstander under flyging som et lite undervannsfartøy ville beveget seg saktere.

Selv en vekt på under 300 gram representerer både en mulighet og en begrensning. En så lett enhet kan enkelt transporteres og tas i bruk, men den har begrenset kapasitet for batterier, måleinstrumenter og prøvebeholdere. Vitenskapelig bruk vil derfor kreve sensorer som er kompatible med den tilgjengelige vekten og effektiv beskyttelse mot saltvann, kollisjoner og bølgebelastninger.

Slag, vind og røff sjø er de neste testbenkene

Teamet modifiserer nå vingene for å kontrollere svinger, i tillegg til den vertikale bevegelsen som allerede er testet. Den nåværende konfigurasjonen demonstrerer kontinuiteten mellom svømming, overflatestigning og flyging, men et kjøretøy beregnet for virkelige oppdrag må orientere seg presist, korrigere kursen og reagere på forstyrrelser uten å være avhengig av rolige forhold.

De påfølgende testene vil faktisk omhandle situasjoner som ligner nærmere de som oppstår i åpent hav: urolig vann, turbulens under fremvekst og vind i luftfasen. Tester i Genfersjøen har bekreftet driftsprinsippet, men uregelmessige bølger og vindkast kan endre vinkelen roboten når overflaten i, slik at vingene blir fuktet på nytt eller overgangen fra en væske til en annen blir destabil.

Det gjenstår også å avgjøre hvor lenge fartøyet kan operere, hvilken vitenskapelig nyttelast det kan bære, og hvor pålitelig det kan gjenta en rekke påfølgende overganger. Disse elementene skiller den eksperimentelle demonstrasjonen fra en faktisk oseanografisk anvendelse og må måles i mer omfattende kampanjer.

Studien involverer, i tillegg til EPFL og MIT, forskere fra Nordvestindisk høyskole i USA. Arbeidet ble delvis støttet av et stipend fra Marie Skłodowska-Curie Actions og fra Det sveitsiske nasjonale vitenskapsfondetPublikasjonen om Vitenskap Den dokumenterer fremfor alt en mekanisk bragd: et enkeltvinget apparat kan produsere den nødvendige skyvekraften under vann og den nødvendige løftekraften i luften, uten å avbryte bevegelsen under overflaten.

Før denne arkitekturen kan bli et standardverktøy for oseanografer og marinbiologer, vil det være behov for mer omfattende styringssystemer, større motstand mot miljøforhold og en lastekapasitet som er kompatibel med målinger og prøvetaking. FAAV har imidlertid klargjort utgangspunktet: for å bevege seg mellom hav og himmel er det ikke nødvendig å kombinere to forskjellige fartøy, så lenge vingene, halen og vingevinkelen er designet for å håndtere begge miljøene.

Her er tre innsikter som kan interessere deg:

En helt ny drone for ultraraske overganger mellom luft og vann
Pris til ProteusDrone, den myke roboten med mutante former
Sebrafiskinspirert robot avdekker atferdskretser