Planeador autónoma puede volar como un albatros, como un velero de crucero

En regiones de vientos fuertes, el robot está diseñado para quedarse aloft, mucho como su contraparte aviar. Donde hay vientos más tranquilos, el robot puede sumergir una quilla en el agua a montar como un velero muy eficiente en su lugar.

El sistema robótico, que pide prestado a diseños náuticos y biológicos, puede cubrir una distancia determinada utilizando un tercio como mucho viento como un albatros y viajar 10 veces más rápido que un típico velero. La vela también es relativamente ligera, pesa alrededor de 6 libras. Los investigadores esperan que en un futuro cercano, tantas compactos, rápidos robóticos agua-skimmers pueden implementarse en equipos a grandes áreas del océano.

“Los océanos siguen siendo muy undermonitored,” dice Gabriel Bousquet, ex postdoc en MIT Departamento de Aeronáutica y astronáutica, que dirigió el diseño del robot como parte de su tesis de grado. “En particular, es muy importante entender el Océano Antártico y cómo está interactuando con el cambio climático. Pero es muy difícil llegar. Podemos ahora utilizar la energía del ambiente en una manera eficiente de realizar este viaje de larga distancia, con un sistema que se mantiene en pequeña escala.”

Bousquet presentará detalles del sistema robótico esta semana en Conferencia de IEEE sobre robótica y automatización, en Brisbane, Australia. Sus colaboradores en el proyecto son Jean-Jacques Slotine, profesor de ingeniería mecánica y Ciencias de la información y de las Ciencias de cerebro; y Michael Triantafyllou, Enrique L. y Grace Doherty profesor en ingeniería y Ciencias del mar.

La física de la velocidad

El año pasado, Bousquet, Slotine y Triantafyllou publicaron un estudio sobre la dinámica de vuelo del Albatros, en el cual se identificaron los mecanismos que permiten al viajero incansable cubrir grandes distancias y gastando la mínima energía. La clave para viajes del maratón de las aves es su capacidad para viajar dentro y fuera de las capas alta y baja velocidad de aire.

Específicamente, los investigadores hallaron que el ave es capaz de realizar un proceso mecánico llamado a una “transferencia de ímpetu,” en el que toma impulso de las capas más altas, más rápidas de aire y buceo por las transferencias impulso a capas inferiores, más lento, impulsando a sí mismo sin tener que continuamente batir sus alas.

Curiosamente, Bousquet observó que la física del vuelo del Albatros es muy similar a la del viaje del velero. El albatros y el velero transferencia de impulso para seguir. Pero en el caso del velero, que el traslado se produce no entre capas de aire, pero entre el aire y el agua.

“Veleros toman impulso del viento con su vela e inyectan el agua presionando con su quilla”, explica Bousquet. “Es cómo se extrae la energía para veleros”.

Bousquet también se dio cuenta de que la velocidad en que un albatros y un velero pueden viajar depende de la misma ecuación general, relacionados con la transferencia del ímpetu. Esencialmente, el pájaro y el barco pueden viajar más rápido si pueden alojarte fácilmente o interactuar con dos capas, o medios, de velocidades muy diferentes.

El Albatros hace bien con el anterior, como sus alas proporcionan elevación natural, aunque vuela entre las capas de aire con una diferencia relativamente pequeña en windspeeds. Mientras tanto, el velero se destaca en este último, viajando entre dos medios de muy diferentes velocidades–aire versus agua–aunque su casco crea un montón de fricción y previene de conseguir mucha velocidad. Bousquet se pregunta: ¿Qué pasa si un vehículo podría ser diseñado para llevar a cabo bien en ambos indicadores, con las cualidades de alta velocidad de los albatros y el velero?

“Pensamos, ¿cómo podríamos tomar lo mejor de ambos mundos?” Bousquet, dice.

En el agua

El equipo elaboró un diseño para tal un vehículo híbrido, que en última instancia, se asemejó a un planeador autónoma con una envergadura de 3 metros, similar a la de un típico Albatros. Ha añadido una vela alta y triangular, así como una quilla delgada, como alas. Luego realizaron algunos modelos matemáticos para predecir cómo viajaría ese diseño.

Según sus cálculos, el vehículo eólicas sólo necesitan relativamente calmaría vientos de unos 5 nudos a zip a través de las aguas a una velocidad de unos 20 nudos y 23 millas por hora.

“Encontramos que en vientos ligeros se puede viajar de tres a 10 veces más rápido que un velero tradicional, y que necesita alrededor de la mitad como mucho viento como un albatros, para llegar a 20 nudos,” dice Bousquet. “Es muy eficiente, y se puede viajar muy rápido, incluso si no hay mucho viento”.

El equipo construyó un prototipo de su diseño, con un fuselaje planeador diseñado por Mark Drela, profesor de Aeronáutica y Astronáutica en el MIT. En la parte inferior de la vela ha añadido una quilla, junto con diversos instrumentos, tales como GPS, sensores de medición inercial, piloto automático instrumentación y ultrasonido, un seguimiento de la altura de la vela sobre el agua.

“El objetivo era demostrar que podemos controlar precisamente cuanta estamos por encima del agua y que podemos tener el robot volar sobre el agua, entonces hasta donde puede ir la quilla bajo el agua para generar una fuerza, y el avión puede volar todavía “Dice Bousquet.

Los investigadores decidieron probar esta “maniobra crítica”–la ley de la transición entre el vuelo en el aire y sumergir la quilla hacia abajo para navegar en el agua. Lograr este movimiento no requiere necesariamente una vela, así que Bousquet y sus colegas decidieron no incluir uno para simplificar experimentos preliminares.

En el otoño de 2016, el equipo puso su diseño a prueba, lanza el robot desde el pabellón de vela MIT hacia fuera sobre el río Charles. Como el robot carecía de una vela y cualquier mecanismo se comenzó, el equipo lo colgó de una barra de pesca a un barco ballenero. Con esta configuración, el barco remolcado el robot a lo largo del río hasta llegar a cerca de 20 millas por hora, momento en el que el robot autónomo “se quitó,” cabalgando el viento sobre su propia.

Una vez volaba autónomamente, Bousquet utiliza un control remoto para dar el robot un comando “abajo”, lo que provocó que moje lo suficiente para sumergir su quilla en el río. A continuación, ajustar la dirección de la quilla y observó que el robot es capaz de mantenerse lejos del barco como se esperaba. Entonces dio una orden para el robot a volar, levantar la quilla fuera del agua.

“Volábamos muy cerca de la superficie y había muy poco margen para el error, todo tenía que estar en su lugar”, dice Bousquet. “Así que fue muy alta tensión, pero muy emocionante”.

Los experimentos, dice, demuestran que dispositivo conceptual del equipo puede viajar con éxito, impulsado por el viento y el agua. Finalmente, prevé que flotas de estos vehículos de forma autónoma y eficiente control de grandes extensiones del océano.

“Imagínese que usted podría volar como un Albatros es muy ventoso, y luego cuando no hay suficiente viento, la quilla le permite navegar como velero,” dice Bousquet. “Esto amplía drásticamente los tipos de regiones donde se puede ir.”