ईपीएफएल और एमआईटी द्वारा विकसित उभयचर विमान गोता लगाने वाले जानवरों से प्रेरित है: यह बिना प्रणोदन बदले उड़ान भरता है, गोता लगाता है, सतह पर वापस आता है और हवा में लौटता है।

हवा और पानी के बीच की सीमा को पार करना रोबोटिक्स में सबसे जटिल चुनौतियों में से एक है। इन दोनों वातावरणों के भौतिक गुण एक दूसरे से बहुत अलग हैं: पानी हवा से लगभग हज़ार गुना अधिक घना होता है और इसके लिए पूरी तरह से अलग प्रणोदन, नियंत्रण और ऊर्जा खपत रणनीतियों की आवश्यकता होती है। इसी कारण से, अब तक विकसित उभयचर रोबोटों ने आम तौर पर उड़ान और तैराकी के लिए अलग-अलग प्रणालियों का उपयोग किया है, या हवा में वापस आने के लिए प्रोपेलर, फ्लोट या लॉन्च पैड पर निर्भर रहना पड़ा है।

से शोधकर्ताओं का एक समूह इकोले पॉलीटेक्निक फ़ेडेरेल डी लॉज़ेन (ईपीएफएल) और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) इसके बजाय यह प्रदर्शित किया गया है कि एक ही यांत्रिक संरचना के साथ गति के दोनों तरीकों को संबोधित करना संभव है। इसका परिणाम यह है कि फ्लैपिंग-विंग एरियल-एक्वाटिक व्हीकल (एफएएवी)एक जीव-प्रेरित रोबोट जो पानी के भीतर तैर सकता है, सतह को तोड़कर तुरंत अपने पंखों को फड़फड़ाते हुए उड़ान भरना शुरू कर सकता है। यह अध्ययन वैज्ञानिक पत्रिका में प्रकाशित हुआ था। विज्ञान.

यह परियोजना समुद्री पक्षियों के एक छोटे समूह के अवलोकन से प्रेरित है जो दोनों वातावरणों में कुशलतापूर्वक दिशा-निर्देश कर सकते हैं। लून, गल, पफिन और पेट्रेल पक्षी उड़ान के दौरान उत्प्लावन बल और तैरने के दौरान उत्प्लावन बल उत्पन्न करने के लिए एक ही पंखों का उपयोग करते हैं, जिससे वे जिस वातावरण में होते हैं उसकी विशेषताओं के अनुसार अपनी गति को अनुकूलित कर लेते हैं। इस क्षमता को रोबोटिक प्रणाली में रूपांतरित करने के लिए पशु जैवयांत्रिकी के वर्षों के अध्ययन और कई प्रयोगात्मक परीक्षणों की आवश्यकता पड़ी।

मुख्य अनुसंधान प्रबंधक है राफेल ज़फ़रीअब ईपीएफएल में शोध अवधि के बाद एमआईटी में सहायक प्रोफेसर हैं। उनका प्रारंभिक लक्ष्य एक नया उभयचर ड्रोन बनाना नहीं था, बल्कि उन सिद्धांतों को समझना था जो गोता लगाने वाले पक्षियों को उस संक्रमण को पार करने में सक्षम बनाते हैं जो इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से अत्यंत कठिन प्रतीत होता है।

दो विपरीत वातावरणों के लिए लचीले पंख और एक ही प्रणोदन प्रणाली।

एफएएवी का वजन है 300 ग्राम से कम इसमें एक वाटरप्रूफ केंद्रीय धड़, दो लचीले पंख और एक घूमने वाली पूंछ शामिल है। शरीर के अंदर एक बैटरी और एक वाटरप्रूफ इलेक्ट्रिक मोटर है, जो क्रैंकशाफ्ट के माध्यम से, पंखों को तैरने और उड़ने दोनों के लिए आवश्यक दोलन गति प्रदान करती है। पंखों की झिल्लियाँ भी इससे ढकी हुई हैं। हाइड्रोफोबिक नैनोकणजो जल के तेजी से अलग होने में सहायक होते हैं।

इस प्रणाली का एक सबसे रोचक पहलू इसकी मॉड्यूलरिटी है। शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग पंख विन्यास बनाए हैं, जिनमें खुलने वाले हिस्से हैं। 60, 80 और 100 सेंटीमीटरलिफ्ट, थ्रस्ट और गतिशीलता के बीच सर्वोत्तम संतुलन प्रदान करने वाले संयोजन को समझने के लिए। परीक्षणों से पता चला कि मध्यवर्ती समाधान 80 सेंटीमीटर यह पानी और हवा दोनों में सबसे संतुलित व्यवहार सुनिश्चित करता है।

पंखों की लचीलता भी उतनी ही महत्वपूर्ण साबित हुई है। अत्यधिक कठोर संरचनाएं उड़ान को बेहतर बनाती हैं लेकिन जलगतिकी को बढ़ाती हैं; अत्यधिक लचीले पंख तैरने में सहायक होते हैं लेकिन सतह पर आने के बाद पर्याप्त उत्थापन उत्पन्न नहीं करते। इसलिए, इष्टतम व्यवहार एक ऐसे समझौते से प्राप्त होता है जो समुद्री पक्षियों में लाखों वर्षों में विकसित हुए समझौते के समान है।

विश्वविद्यालय के प्रायोगिक टैंक और जिनेवा झील के बीच परीक्षण

रोबोट के कार्य करने की पुष्टि करने के लिए, समूह ने पहले एक प्रायोगिक टैंक में और फिर कई परीक्षणों की एक लंबी श्रृंखला आयोजित की। लेक जिनेवायह परीक्षण स्विट्जरलैंड में किया गया था। प्रत्येक परीक्षण के दौरान, वाहन को लगभग आधा मीटर गहराई में रखा गया और उसे अलग-अलग पंखों की फड़फड़ाहट आवृत्तियों और पूंछ के अलग-अलग झुकावों के साथ प्रोग्राम किया गया। इसका उद्देश्य नियंत्रण खोए बिना पानी से हवा में स्थिर संक्रमण सुनिश्चित करने में सक्षम संयोजनों की पहचान करना था।

परिणामों से पता चला कि रोबोट लगभग इतनी गति से तैर सकता है। एक मीटर प्रति सेकंड लगभग आवृत्ति के साथ प्रति सेकंड पांच धड़कनेंउड़ान के दौरान यह लगभग पहुँच जाता है छह मीटर प्रति सेकंड समान आवृत्ति बनाए रखते हुए। यह प्रदर्शन आश्चर्यजनक रूप से समान आकार के गोताखोर पक्षियों में देखे गए मूल्यों के बहुत करीब है।

सबसे नाजुक चरण सतह को पार करना है। पंखों के सिरे फड़फड़ाने के दौरान पानी से न टकराएं, इसके लिए रोबोट को लगभग इतना झुकाव रखना पड़ता है। 70 डिग्रीकम कोण पर विमान उड़ान नहीं भर सकता, जबकि अधिक कोण पर विमान के तुरंत पानी में गिरने का खतरा बढ़ जाता है। इसलिए, पंखों की चौड़ाई, दोलन आवृत्ति और पूंछ की पिच का संयोजन एक अत्यंत सटीक संतुलन बनाता है, जिससे FAAV अपने पंखों की गति को बाधित किए बिना एक वातावरण से दूसरे वातावरण में आसानी से जा सकता है।

बिना पैरों या अलग थ्रस्टर्स की सहायता के सफलतापूर्वक उड़ान भरी गई।

शोधकर्ताओं द्वारा खोजी गई तकनीक के संयोजन से FAAV बिना किसी अतिरिक्त प्रोपेलर, फ्लोटिंग फ्लोट या अन्य थ्रस्टर के पूरी प्रक्रिया को पूरा कर सकता है। सतह के नीचे तैरने के बाद, वाहन अपनी संचालित पूंछ का उपयोग करके अपने शरीर को ऊपर की ओर मोड़ता है, अपने पंखों को फड़फड़ाता रहता है, और संचित थ्रस्ट का उपयोग करके सतह पर आ जाता है। जैसे ही धड़ पानी के ऊपर उठता है, यही गति हवा में आगे बढ़ने के लिए आवश्यक उत्थापन उत्पन्न करती है।

बिना पैरों का इस्तेमाल किए इस बदलाव को पूरा करने की क्षमता रोबोट को कई गोता लगाने वाले पक्षियों के व्यवहार से अलग करती है। कई प्रजातियाँ, जब उन्हें ऊँचाई प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, तो उड़ान भरने से पहले अपनी गति बढ़ाने के लिए सतह पर चप्पू चलाती हैं। प्रोटोटाइप को विकसित किया गया था। लुसाने e कैंब्रिज इसके बजाय, यह पानी के भीतर की धड़कन को सीधे टेक-ऑफ पैंतरेबाज़ी में बदलने में कामयाब होता है।

राफेल ज़फ़री उन्होंने स्पष्ट किया कि पैरों के समतुल्य किसी अंग का अभाव ही शोध के केंद्रीय प्रश्नों में से एक था।

"अगर आप पक्षियों को देखें, तो उनमें से अधिकांश को उड़ान भरने के लिए अपने पैरों से सतह पर तैरना पड़ता है। सवाल यह था कि क्या रोबोट के साथ भी ऐसा करना आवश्यक है, लेकिन हमने पाया कि ऐसा नहीं है। अभी तक कोई भी रोबोट अपने पंखों का उपयोग करके पानी से बाहर उड़ने में सफल नहीं हुआ था।"

परिणाम किसी एक घटक पर निर्भर नहीं करता, बल्कि उनके बीच की परस्पर क्रिया पर निर्भर करता है। पंख की ज्यामितिझिल्ली की लोच, दोलन आवृत्ति और पूंछ का संतुलन। इनमें से किसी भी पैरामीटर में थोड़ा सा भी बदलाव सतह पर आने में बाधा डाल सकता है या उड़ान में संक्रमण को अस्थिर बना सकता है। इसलिए FAAV एक एकीकृत प्रणाली के रूप में कार्य करता है, जिसमें यांत्रिकी को एक साथ जलगतिकीय प्रतिरोध और वायुगतिकीय आवश्यकताओं के अनुरूप ढलना होता है।

जानवरों के साथ तुलना करने से कुछ ऐसे सिद्धांतों का नियंत्रित अध्ययन भी संभव हो सका जिन्हें प्रकृति में अलग करना कठिन है। पक्षी लगातार अपनी मुद्रा, जोड़ों और हृदय गति के आयाम को बदलते रहते हैं; इसके विपरीत, रोबोट ऐसा नहीं करता।

यह आपको सटीक मान निर्धारित करने और यह देखने की अनुमति देता है कि प्रत्येक विकल्प गति, स्थिरता और सतह को पार करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है। इस प्रकार प्रोटोटाइप न केवल एक संभावित परिचालन साधन बन जाता है, बल्कि विश्लेषण के लिए एक उपकरण भी बन जाता है। उभयचरों की गति की जैवयांत्रिकी.

हिमखंडों से लेकर बंदरगाहों तक, समुद्र में पहले से ही परिकल्पित मिशन।

समूह द्वारा विचार किए गए आवेदन मुख्य रूप से निम्नलिखित से संबंधित हैं:समुद्री अन्वेषण और उन क्षेत्रों में डेटा संग्रह करना जहां पारंपरिक जहाजों का संचालन कठिन या जोखिम भरा होता है। एक हल्का वाहन तट या किसी जहाज से उड़ान भर सकता है, सर्वेक्षण किए जाने वाले क्षेत्र तक तेजी से पहुंच सकता है, माप लेने या नमूना एकत्र करने के लिए गोता लगा सकता है, और फिर एकत्रित जानकारी लेकर वापस अपने आधार पर लौट सकता है।

उदाहरणों में शामिल हैं: हिमशैलबंदरगाह के बुनियादी ढांचे और व्हेल जैसे समुद्री स्तनधारियों के अक्सर आने-जाने वाले क्षेत्रों में इसका उपयोग किया जा सकता है। इन सभी वातावरणों में, हवा और पानी के बीच बारी-बारी से उपयोग करने की क्षमता से दो अलग-अलग साधनों, एक हवा में और एक पानी के नीचे, का उपयोग करने या प्रत्येक गोता लगाने के बाद उपकरण को मैन्युअल रूप से वापस लाने की आवश्यकता से बचा जा सकेगा।

जुफेरे ने एक संभावित मिशन का वर्णन किया जिसमें समुद्र विज्ञानी, समुद्री जीवविज्ञानी और तटीय समुदाय एक नाव से या सीधे तट से रोबोट को लॉन्च करेंगे।

"हमारी परिकल्पना यह है कि रोबोट किसी रुचि के क्षेत्र के पास उड़ान भरे—उदाहरण के लिए, एक हिमखंड, एक बंदरगाह सुविधा, या व्हेल का झुंड—माप लेने या नमूना एकत्र करने के लिए गोता लगाए, और फिर पारंपरिक तरीकों की तुलना में बहुत कम लागत पर डेटा देने के लिए वापस आ जाए। इसके बाद यह दूसरे गोता लगाने के लिए रवाना हो सकता है।"

लागतों का उल्लेख अभी तक पूर्ण आर्थिक मूल्यांकन के बराबर नहीं है। FAAV अभी भी एक प्रायोगिक प्रोटोटाइप यह शोध समुद्री पोतों, स्वायत्त जलमग्न वाहनों या वाणिज्यिक ड्रोनों के साथ परिचालन तुलना प्रदान नहीं करता है। संभावित लाभ मुख्य रूप से प्रक्षेपण और पुनर्प्राप्ति कार्यों में कमी और उड़ान में उन दूरियों को तय करने की क्षमता से प्राप्त होता है जिन्हें एक छोटा जलमग्न वाहन अधिक धीमी गति से तय करेगा।

300 ग्राम से कम वजन होना भी एक अवसर और एक सीमा दोनों है। ऐसे हल्के उपकरण को आसानी से ले जाया और उपयोग किया जा सकता है, लेकिन इसमें बैटरी, मापन उपकरण और नमूना रखने के लिए सीमित क्षमता होती है। इसलिए वैज्ञानिक उपयोग के लिए उपलब्ध वजन के अनुकूल सेंसर और खारे पानी, टक्करों और लहरों के दबाव से प्रभावी सुरक्षा की आवश्यकता होगी।

टैकिंग, हवा और उबड़-खाबड़ पानी अगले परीक्षण स्थल हैं।

टीम अब पहले से परीक्षण किए गए ऊर्ध्वाधर गति के अलावा, मोड़ों को नियंत्रित करने के लिए पंखों में संशोधन कर रही है। वर्तमान विन्यास तैरने, सतह पर आने और उड़ान भरने के बीच निरंतरता को दर्शाता है, लेकिन वास्तविक दुनिया के मिशनों के लिए डिज़ाइन किए गए वाहन को शांत परिस्थितियों पर निर्भर हुए बिना, सटीक रूप से दिशा निर्धारित करने, अपने मार्ग को सही करने और गड़बड़ी पर प्रतिक्रिया करने की आवश्यकता होगी।

इसके बाद होने वाले परीक्षण वास्तव में खुले समुद्र में पाई जाने वाली स्थितियों के अधिक निकट की स्थितियों से संबंधित होंगे: उबड़-खाबड़ पानीसतह पर आने के दौरान होने वाली हलचल और हवा में रहने के दौरान आने वाली तेज़ हवाओं का रोबोट पर कोई असर नहीं पड़ता। जिनेवा झील में किए गए परीक्षणों ने इसके संचालन सिद्धांत को सत्यापित कर दिया है, लेकिन अनियमित लहरें और तेज़ हवा के झोंके रोबोट के सतह पर पहुँचने के कोण को बदल सकते हैं, जिससे पंख फिर से गीले हो सकते हैं या एक तरल से दूसरे तरल में संक्रमण अस्थिर हो सकता है।

यह भी निर्धारित किया जाना बाकी है कि वाहन कितने समय तक कार्य कर सकता है, यह कितना वैज्ञानिक भार वहन कर सकता है, और यह कितनी विश्वसनीयता के साथ कई निरंतर संक्रमणों को दोहरा सकता है। ये तत्व प्रायोगिक प्रदर्शन को वास्तविक समुद्र विज्ञान अनुप्रयोग से अलग करते हैं और इन्हें अधिक व्यापक अभियानों में मापने की आवश्यकता होगी।

इस अध्ययन में ईपीएफएल और एमआईटी के अलावा अन्य शोधकर्ताओं को भी शामिल किया गया है। नॉर्थवेस्ट इंडियन कॉलेज संयुक्त राज्य अमेरिका में। इस कार्य को आंशिक रूप से अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था। मैरी स्कोलोडोव्स्का-क्यूरी एक्शन से और स्विस राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशनप्रकाशन पर विज्ञान यह मुख्य रूप से एक यांत्रिक उपलब्धि को दर्शाता है: एक एकल पंख उपकरण पानी के नीचे आवश्यक थ्रस्ट और हवा में आवश्यक लिफ्ट उत्पन्न कर सकता है, सतह पर आने के दौरान गति को बाधित किए बिना।

इस आर्किटेक्चर के समुद्र विज्ञानियों और समुद्री जीवविज्ञानियों के लिए एक मानक उपकरण बनने से पहले, अधिक व्यापक मार्गदर्शन प्रणालियों, पर्यावरणीय परिस्थितियों के प्रति अधिक प्रतिरोधक क्षमता और माप एवं नमूनाकरण के अनुकूल भार वहन क्षमता की आवश्यकता होगी। हालांकि, FAAV ने मूल सिद्धांत को स्पष्ट कर दिया है: समुद्र और आकाश के बीच आवागमन के लिए, दो अलग-अलग वाहनों को संयोजित करना आवश्यक नहीं है, बशर्ते पंख, पूंछ और अभिस्थिति नियंत्रण दोनों वातावरणों को संभालने के लिए डिज़ाइन किए गए हों।

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