自動(dòng)滑翔機(jī)可以像信天翁一樣飛翔像帆船一樣巡航

麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人滑翔機(jī)，可以沿著水面掠過(guò)，像信天翁一樣乘風(fēng)，同時(shí)像帆船一樣沖浪。在強(qiáng)風(fēng)區(qū)域，機(jī)器人被設(shè)計(jì)為高空飛行，就像它的鳥(niǎo)類一樣。在平靜的風(fēng)中，機(jī)器人可以將龍骨砸入水中，就像高效的帆船一樣。借用航海和生物設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)可以使用三分之一的風(fēng)信天覆蓋給定距離，并且比典型的帆船快10倍。滑翔機(jī)也相對(duì)輕巧，重約6磅。研究人員希望，在不久的將來(lái)，這種緊湊，快速的機(jī)器人水撇水器可以部署在一起，以調(diào)查大片的海洋。

麻省理工學(xué)院航空航天系的前博士后加布里埃爾·博斯凱(Gabriel Bousquet)表示：“海洋仍然受到極大的監(jiān)控。”他將機(jī)器人的設(shè)計(jì)作為研究生論文的一部分。“特別是，了解南大洋及其如何與氣候變化相互作用非常重要。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)非常困難。我們現(xiàn)在可以通過(guò)有效的方式利用環(huán)境中的能量進(jìn)行長(zhǎng)途旅行，系統(tǒng)仍然是小規(guī)模的。“

Bousquet本周將在澳大利亞布里斯班舉行的IEEE國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)上展示機(jī)器人系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。他在該項(xiàng)目上的合作者是機(jī)械工程和信息科學(xué)以及腦科學(xué)教授Jean-Jacques Slotine;和Michael Triantafyllou，Henry L.和Grace Doherty海洋科學(xué)與工程教授。

速度的物理學(xué)

去年，Bousquet，Slotine和Triantafyllou發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于信天翁飛行動(dòng)力學(xué)的研究，其中他們確定了使不知疲倦的旅行者能夠在消耗最少能量的同時(shí)覆蓋很遠(yuǎn)距離的機(jī)制。鳥(niǎo)類馬拉松航行的關(guān)鍵是它能夠進(jìn)出高速和低速的空氣層。

具體來(lái)說(shuō)，研究人員發(fā)現(xiàn)這只鳥(niǎo)能夠進(jìn)行一種稱為“動(dòng)量轉(zhuǎn)移”的機(jī)械過(guò)程，其中它從更高，更快的空氣層中獲取動(dòng)力，并通過(guò)將動(dòng)力轉(zhuǎn)移到更低，更慢的層，推動(dòng)自身無(wú)需不斷拍打翅膀。

有趣的是，Bousquet觀察到信天翁飛行的物理學(xué)與帆船旅行的物理學(xué)非常相似。信天翁和帆船都轉(zhuǎn)移動(dòng)量以保持運(yùn)動(dòng)。但是在帆船的情況下，轉(zhuǎn)移不是在空氣層之間，而是在空氣和水之間。

“帆船用帆從風(fēng)中取出動(dòng)力，然后用龍骨向后推入水中，”Bousquet說(shuō)。“這就是為帆船提取能量的方式。”

Bousquet還意識(shí)到信天翁和帆船的行進(jìn)速度取決于與動(dòng)量轉(zhuǎn)移相關(guān)的相同的一般方程。從本質(zhì)上講，如果鳥(niǎo)類和船只能夠輕松地高空飛行或者與兩層或中等速度非常不同的人交互，那么鳥(niǎo)類和船只都可以更快地行進(jìn)。

信天翁與前者相處得很好，因?yàn)樗某岚蛱峁┝俗匀坏纳?，盡管它在空氣層之間飛行，風(fēng)速相對(duì)較小。與此同時(shí)，帆船在后者中表現(xiàn)優(yōu)異，在兩種速度非常不同的介質(zhì)之間行進(jìn) - 空氣與水 - 雖然它的船體產(chǎn)生大量摩擦并阻止其獲得很大的速度。Bousquet想知道：如果一輛車可以設(shè)計(jì)成在兩個(gè)指標(biāo)上表現(xiàn)良好，與信天翁和帆船的高速品質(zhì)相結(jié)合怎么辦?

“我們想，我們?cè)趺茨軓膬蓚€(gè)世界中取得最好的成績(jī)呢?”Bousquet說(shuō)。

在水面上

該團(tuán)隊(duì)起草了這種混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)，最終類似于翼展3米的自主滑翔機(jī)，類似于典型的信天翁。他們?cè)黾恿艘粋€(gè)高大的三角形帆，以及一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的翼狀龍骨。然后，他們進(jìn)行了一些數(shù)學(xué)建模，以預(yù)測(cè)這樣的設(shè)計(jì)將如何傳播。

根據(jù)他們的計(jì)算，風(fēng)力車輛只需要相對(duì)平靜的大約5節(jié)的風(fēng)速以大約20節(jié)或每小時(shí)23英里的速度穿過(guò)水面。

“我們發(fā)現(xiàn)，在微風(fēng)中，你可以比傳統(tǒng)帆船快三到十倍的速度旅行，而你需要的風(fēng)量大約是信天翁的一半，達(dá)到20節(jié)，”Bousquet說(shuō)。“它非常高效，即使沒(méi)有太多風(fēng)，你也可以非常快速地旅行。”

該團(tuán)隊(duì)使用由麻省理工學(xué)院航空航天教授Mark Drela設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)機(jī)身制作了他們?cè)O(shè)計(jì)的原型。在滑翔機(jī)的底部，他們添加了一個(gè)龍骨，以及各種儀器，如GPS，慣性測(cè)量傳感器，自動(dòng)駕駛儀表和超聲波，以跟蹤滑翔機(jī)在水面上的高度。

“這里的目標(biāo)是表明我們可以非常精確地控制我們?cè)谒嫔系母叨?，并且我們可以讓機(jī)器人飛到水面上，然后下降到龍骨可以在水下產(chǎn)生力的地方，以及飛機(jī)仍然可以飛，“Bousquet說(shuō)。

研究人員決定測(cè)試這種“關(guān)鍵機(jī)動(dòng)” - 在空中飛行和將龍骨向下傾斜以在水中航行之間的過(guò)渡行為。完成這一舉動(dòng)并不一定需要啟航，因此Bousquet和他的同事決定不包括一個(gè)以簡(jiǎn)化初步實(shí)驗(yàn)。

2016年秋天，該團(tuán)隊(duì)對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，將機(jī)器人從麻省理工學(xué)院帆船館發(fā)射到查爾斯河上。由于機(jī)器人沒(méi)有帆和任何啟動(dòng)它的機(jī)制，所以該團(tuán)隊(duì)將其懸掛在與捕鯨船相連的釣竿上。通過(guò)這種設(shè)置，船沿著河拖著機(jī)器人，直到它達(dá)到每小時(shí)20英里，此時(shí)機(jī)器人自動(dòng)“起飛”，獨(dú)自騎風(fēng)。

一旦它自動(dòng)飛行，Bousquet使用遙控器給機(jī)器人一個(gè)“向下”命令，促使它下降到足以將龍骨淹沒(méi)在河中。接下來(lái)，他調(diào)整了龍骨的方向，并觀察到機(jī)器人能夠如預(yù)期的那樣遠(yuǎn)離船。然后，他命令機(jī)器人飛回來(lái)，將龍骨從水中抬起。

“我們飛得非常接近水面，而且誤差很小 - 一切都必須到位，”Bousquet說(shuō)。“所以這是非常高的壓力，但非常令人興奮。”

他說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)證明，該團(tuán)隊(duì)的概念設(shè)備可以成功地行駛，由風(fēng)和水提供動(dòng)力。最終，他設(shè)想這些車輛的船隊(duì)自主地和有效地監(jiān)視大片海洋。

“想象一下，當(dāng)它真的刮風(fēng)時(shí)，你可以像信天翁一樣飛翔，然后當(dāng)沒(méi)有足夠的風(fēng)時(shí)，龍骨可以讓你像帆船一樣航行，”Bousquet說(shuō)。“這極大地?cái)U(kuò)展了你可以去的地區(qū)。”

日期：

2018年5月17日

資源：

麻省理工學(xué)院

摘要：

工程師設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人滑翔機(jī)，可以