Ein Team von Ingenieuren am MIT hat sich entwickelt ein Robotergleiter Er kann sowohl bei starkem Wind durch die Luft fliegen als auch schnell über die Wasseroberfläche fahren.

Beim Entwurf des einzigartigen Designs ihres Roboters, den sie alswindbetriebenes unbemanntes nautisches Luft-Wasserfahrzeug, “Oder UNAv, ließen sich die Forscher sowohl von biologischen als auch von künstlichen Designs inspirieren.

Sie suchten nach Albatrossen, Seevögeln, die in windigen Gebieten weite Strecken zurücklegen konnten, um die Flugfähigkeiten des Roboters zu bestimmen. Sie haben diesen Einfluss mit dem Design von Segelbooten verschmolzen, sodass der Roboter genauso effizient auf dem Wasser gleiten konnte, wie er fliegt.

Die Kombination erweist sich als mehr als die Summe ihrer Teile. Die UNAv kann 10 schneller als Segelboote bewegen und benötigt nur ein Drittel der Windkraft, die Albatrosse zum Fliegen benötigen.

Der UNAv ist auch ziemlich leicht und wiegt zu einem bescheidenen 6 Pfund.

Warum Albatrosse?

"Albatrosse sind ganz besondere Kreaturen", sagte Gabriel Bousquet, ein ehemaliger Postdoc am MIT Abteilung für Luft- und Raumfahrt, der im Rahmen seiner Diplomarbeit die Entwicklung der UNAv leitete.

Albatrosse fliegen Tausende von Meilen durch einige der härtesten Wetterbedingungen der Welt.

"Für Albatrosse scheint es, dass je größer der Sturm, desto besser - und am auffälligsten, sie diese großen Entfernungen zurücklegen, ohne auch nur mit den Flügeln zu schlagen", sagte er.

Albatrosse sind in der Lage, den Wind zu nutzen, um ihren Flug anzutreiben, so dass sie bei starkem Wind und schlechtem Wetter weite Strecken zurücklegen können und dabei nur minimale Energie verbrauchen.

Vor einem Jahr, Bousquet, zusammen mit zwei anderen MIT-Forscher, Jean-Jacques Slôtine, Professor für Maschinenbau und Informationswissenschaften und für Hirnforschung, und Michael TriantafyllouDer Henry L. und Grace Doherty Professor für Meereswissenschaften und -technik veröffentlichte eine Studie über die Mechanik der Albatrosse einzigartiges Flugmuster.

Albatrosse verwenden eine einzigartige Technik, die als dynamisches Schweben bezeichnet wird. Dabei bewegen sie sich in Luftschichten mit hoher und niedriger Geschwindigkeit hinein und heraus. In der oben genannten Studie identifizierten die Forscher einen Mechanismus, den sie als "Impulsübertragung" bezeichnen. Dabei sammelt der Vogel den Impuls von Windschichten mit hoher Geschwindigkeit und taucht in langsamere Schichten ab, um sich so selbst voranzutreiben, ohne ständig mit den Flügeln zu schlagen .

Bousquet hat auch festgestellt, dass Segelboote das gleiche Prinzip nutzen, um das Momentum durch das Wasser zu übertragen. Das heißt, Segelboote sammeln mit dem Segel Schwung aus der Luft und übertragen es unter Verwendung des Kiels auf das Wasser und treiben das Boot entlang des Wassers vorwärts.

Unter Hinweis auf die Ähnlichkeit zwischen den Mechanismen des Albatrosflugs und der Segelbootfahrt versuchten die Forscher, ein Fahrzeug zu schaffen, das die verschiedenen Vorteile, die jedes Design bietet, miteinander verbindet.

Albatrosse, mit Flügeln für natürlichen Auftrieb, sind geschickt darin, in der Luft zu bleiben, während Segelboote Schwung zwischen zwei Schichten, Luft und Wasser, mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten übertragen.

„Wir haben dann erkannt, dass wir, wenn wir die Ideen eines Segelboots und die eines Albatros zusammenführen, indem wir einem Segelflugzeug ein Segel und ein Kielsegel hinzufügen, das Beste aus beiden Welten zusammenbringen und ein System entwickeln könnten, das beides zusammenbringt Sie erreichen 10-Zeiten schneller als Segelboote und benötigen ein Drittel weniger Wind als Albatrosse, um mit Windkraft zu fliegen “, sagte Bousquet.

Entwerfen des UNAV

In ihrem Design verschmolzen die Forscher die Konzepte. Sie verwendeten einen autonomen Segelflugzeugrahmen von Mark Drela, Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT, und stattete ihn mit einem großen dreieckigen Segel und einem speziell konstruierten Kiel aus.

"Wir haben einen albatrosgroßen Schirm mit Kiel entworfen, der wie ein Albatros fliegt und wie ein Segelboot Schwung ins Wasser bringt", sagte Bousquet. „In der Praxis sieht der Kiel wie ein kleiner vertikaler Flügel aus, der sich vom Bauch des Segelflugzeugs aus erstreckt, und die Spitze dieses kleinen Flügels soll eingetaucht werden, wenn das Segelflugzeug etwa 50 cm über der Oberfläche schwebt.“

Sie befestigten auch eine Gruppe von Instrumenten an dem Gleitschirm, die dem Roboter helfen würden, seine Bewegung zu messen. Dies beinhaltet ein GPS, Trägheitsmessungssensoren, Autopilot-Instrumente und Ultraschall, um die Höhe des Gleiters über dem Wasser zu verfolgen.

Damit der Gleitschirm richtig funktioniert, muss er in der Lage sein, seine Bewegung mit unglaublicher Präzision zu messen und zu diktieren, besonders in dem Moment, in dem er zwischen dem Fliegen in der Luft und dem Eintauchen seines Kiels in das Wasser wechselt.

„Die UNAv muss über eine integrierte automatische Steuerung verfügen, die in der Lage ist, sowohl in extrem niedriger Höhe zu fliegen als auch den Kiel zentimetergenau ins Wasser zu tauchen und gleichzeitig die erzeugte Kraft zu steuern durch den Kiel sehr gut “, sagte Bousquet.

In Experimenten, die im Herbst von 2016 durchgeführt wurden, nahmen die Forscher einen Prototyp des UNAv, dem ein Segel für eine Testfahrt auf dem Bostoner Charles River fehlte. Ohne Segel fehlte dem UNAv ein Antriebsmechanismus, daher befestigte das Team es an einem Boot und schleppte es, bis es genug Geschwindigkeit gewann, um selbstständig zu fliegen.

Wie sie gehofft, war in der Lage, ihr Segelflugzeug über dem Wasser bei 20 Meilen pro Stunde, taucht hinunter zu versenken das Kiel im Wasser, steuert weg mit der Einstellung seines Kiel vom Boot aus zu fliegen, und aus dem Wasser fliegt wieder nach oben.

Die Experimente bewiesen, dass ihr Gerät tatsächlich effizient mit Luft- und Wasserkraft fliegen kann.

Struktur & Organisation

In Zukunft wollen die Forscher einen vollständigen Prototyp der UNAv, der ein Segel beinhaltet und einen windbetriebenen Antrieb demonstriert, absolvieren.

Wenn sie erfolgreich sind, könnte die UNAV dazu verwendet werden, Schwaden der Ozeane zu überwachen, die nur schwer kosteneffizient zu erreichen sind. UNAVs könnten theoretisch genutzt werden, um wertvolle Daten über unsere Ozeane zu sammeln. Insbesondere, so Bousquet, könnten sie genutzt werden, um Informationen über die CO2-Absorption in den Ozeanen zu sammeln.

"Wie CO2 von den Ozeanen absorbiert wird, hängt von sehr komplexen Prozessen ab, die mit Physik, Biologie und Chemie zusammenhängen. Um diese Prozesse zu verstehen, ist eine umfangreiche Überwachung vor Ort erforderlich", sagte er. „Insbesondere der südliche Ozean ist ein wichtiger CO2-Absorber, aber da er sowohl windig als auch abgelegen ist, ist er einer der am wenigsten überwachten. Ich stelle mir Hunderte von UNAvs vor, die durch die südlichen Ozeane streifen und Daten für Wissenschaftler sammeln. UNAvs könnten auch die Suche und Rettung auf See sowie die Überwachung der weltweiten Fischerei und der Schutzgebiete erheblich unterstützen.

Das neuartige Design des UNAv zeigt auch einen wichtigen Beitrag zum aufstrebenden Gebiet der bioinspirierten Technik. Die Infusion biologischer Mechanismen in ein technisches System des Teams lässt auf eine aufregende Zukunft ähnlicher Designs schließen.

"Wir erleben eine sehr aufregende Zeit, in der die technischen Fähigkeiten so weit fortgeschritten sind, dass Bioinspiration tatsächlich in technische Systeme wie den UNAv umgesetzt werden kann", sagte Bouquet. „Denken Sie daran, wie wendig Swifts oder Fledermäuse sind, wie energieeffizient Albatrosse und Fregattenvögel sind. Es gibt immer noch eine große Lücke zwischen der Flugleistung dieser Tiere und technischen Systemen, und ich gehe davon aus, dass in den nächsten zehn Jahren viele Ideen aus biologischen Systemen Eingang in technische Systeme finden werden. “