MITのエンジニアチームが開発した ロボットグライダー 強風の中で空を舞い上がることも、水面に沿って素早く進むこともできます。
彼らが「」と呼ぶロボットのユニークなデザインを起草する際に、風力発電の無人航海空気水車」、または UNAv という名前で研究者らは、生物学的デザインと人工的デザインの両方からインスピレーションを得ました。
彼らはロボットの飛行能力を設計する際に、風の強い地域でも遠くまで飛ぶことができる海鳥であるアホウドリに注目した。 彼らはその影響をヨットの設計と融合させ、ロボットが飛行するのと同じくらい効率的に水の上を滑空できるようにしました。
この組み合わせは、各部分の合計以上のものであることがわかります。 UNAv は帆船の 10 倍の速度で移動でき、飛行に必要な風力はアホウドリの XNUMX 分の XNUMX だけです。
UNAv は非常に軽量でもあり、重量はわずか 6 ポンドです。
なぜアホウドリなのか？
「アホウドリは非常に特別な生き物です」とガブリエル・ブスケ氏は言いました。 MITの元ポスドク 航空宇宙学科は、卒業論文の一環として UNAv の開発を主導しました。
アホウドリは世界で最も厳しい気象条件の中を何千マイルも飛行する、と同氏は指摘した。
「アホウドリにとって、嵐は大きければ大きいほど良いようです。そして最も驚くべきことに、アホウドリは翼を羽ばたかせることなく、その膨大な距離を移動するのです」と彼は言う。
アホウドリは風を利用して飛行することができ、強風や悪天候の中でも最小限のエネルギーで長距離を移動することができます。
XNUMX年前、ブスケ氏は他のXNUMX人のMIT研究者とともに、 ジーン・ジャック・スロット、機械工学および情報科学および脳科学の教授、および マイケル・トリアンタフィロウヘンリー・L.と海洋科学工学のグレース・ドハティ教授は、アホウドリの仕組みに関する研究を発表しました。 独特の飛行パターン.
アホウドリは、高速および低速の空気層を出入りするダイナミック ソアリングと呼ばれる独自のテクニックを使用します。 前述の研究で、研究者らは「運動量の伝達」と名付けたメカニズムを特定した。このメカニズムでは、鳥は高速の風の層から勢いを集め、より遅い層に飛び込み、それによって翼を絶えず羽ばたかせることなく、その勢いを利用して自らを推進する。 。
ブスケはまた、ヨットが水中を移動するために運動量を伝達するという同じ原理を使用していることに気づきました。 つまり、帆船は帆を使って空気から勢いを集め、竜骨を使ってそれを水面に伝え、水に沿って船を前進させます。
アホウドリの飛行とヨットの航行のメカニズムの類似性に注目し、研究者らは、それぞれの設計が持つ明確な利点を組み合わせた乗り物を作成しようと努めました。
アホウドリは自然な揚力をもたらす翼を備えており、空中に留まるのが得意ですが、ヨットは速度が大きく異なる空気と水の XNUMX つの層の間で運動量を伝達します。
「その後、グライダー飛行機に帆とキール帆を追加して、帆船とアホウドリのアイデアを統合すれば、両方の長所を組み合わせて、両方が稼働するシステムを作成できることに気づきました。」風力を利用して飛ぶには、ヨットの10倍の速度で、アホウドリのXNUMX分のXNUMXの風力が必要です」とブスケ氏は語った。
UNAv の設計
研究者らは設計において、これらの概念を統合しました。 彼らは、によって設計された自律グライダーフレームを使用しました。 マーク・ドレラ、MITの航空学および宇宙航行学の教授であり、背の高い三角形の帆と特別に設計されたキールを備えていました。
「私たちは、アホウドリのように飛行し、ヨットのように水中に勢いを注入できるように、竜骨を備えたアホウドリサイズのグライダーを設計しました」とブスケ氏は語った。 「実際には、キールはグライダーの腹部から伸びる小さな垂直翼のように見え、グライダーが水面から約50センチメートル上を滑ったときに、その小さな翼の先端が水中に沈むように設計されています。」
彼らはまた、ロボットがその動きを測定するのに役立つ一連の機器をグライダーに取り付けた。 これには、水上でのグライダーの高さを追跡するための GPS、慣性測定センサー、自動操縦計器、および超音波が含まれます。
グライダーが適切に動作するためには、特に空中飛行からキールを水に浸すまでの移行の瞬間に、信じられないほどの精度でその動きを測定し、指示できなければなりません。
「UNAv には、極度の低空飛行とセンチメートル単位の精度でキールを水中に浸すことの両方ができる、自動制御装置が搭載されている必要があり、同時に生成される力を制御できる必要があります。キールで非常にうまくいきました」とブスケ氏は言いました。
2016年の秋に行われた実験では、研究者らは帆のないUNAvのプロトタイプをボストンのチャールズ川で試乗した。 UNAv には帆がなく推進機構がなかったため、研究チームはこれをボートに取り付け、自力で飛行できる速度が得られるまで牽引した。
彼らの望みどおり、彼らのグライダーは時速 20 マイルで水上を飛行し、キールを水中に沈めて、キールを調整してボートから舵を切り、水面から飛び上がることができました。
実験では、彼らの装置が空気と水の力を使って実際に効率的に飛行できることが証明されました。
次は何ですか？
研究者らは今後、帆を備えたUNAvの完全なプロトタイプを完成させ、風力による推進力を実証する予定だ。
成功すれば、UNAv を使用して、コスト効率よく到達するのが難しい海洋の帯を監視できる可能性があります。 UNAV は理論的には、海洋に関する貴重なデータを収集するために使用できます。 特に、海洋の CO2 吸収に関する情報を収集するために使用できる可能性があるとブスケ氏は指摘しています。
「CO2が海洋にどのように吸収されるかは、物理学、生物学、化学に関連する非常に複雑なプロセスによって左右され、それらを理解するには多くの現場モニタリングが必要です」と同氏は述べた。 「特に、南の海洋は主要な CO2 吸収源ですが、風が強く、遠隔地にあるため、最も監視されていない海洋の XNUMX つです。 何百ものUNAが南の海を歩き回り、科学者が使用できるデータを収集しているところを想像します。 UNAv は、海上での捜索救助や、世界の漁業や保護区の監視にも大いに役立つ可能性があります。
UNAv の斬新な設計は、バイオにインスピレーションを得たエンジニアリングの新興分野への重要な貢献も示しています。 このチームによる工学的システムへの生物学的メカニズムの注入は、同様の設計のエキサイティングな未来を予感させます。
「私たちは非常にエキサイティングな時代を生きています。エンジニアリング能力は、生物のインスピレーションをUNAvなどの人工システムに実際に変換できるほど進歩しています」とブーケ氏は語った。 「アマツバメやコウモリの機動性、アホウドリやグンカンドリのエネルギー効率を考えてみてください。 これらの動物の飛行性能と人工システムの間には依然として大きな隔たりがあり、今後 XNUMX 年以内に、生物学的システムから得られた多くのアイデアが人工システムに取り入れられるだろうと私は期待しています。」
