MIT -ingenjörer har designat en robotglidare som kan skumma längs vattenytan, åka vinden som en albatross samtidigt som han surfar på vågorna som en segelbåt.

I områden med hög vind, roboten är utformad för att stanna uppe, ungefär som dess aviära motsvarighet. Där det är lugnare vindar, roboten kan doppa en köl i vattnet för att åka som en mycket effektiv segelbåt istället.

Robotsystemet, som lånar från både nautiska och biologiska mönster, kan täcka en given sträcka med en tredjedel så mycket vind som en albatross och färdas 10 gånger snabbare än en typisk segelbåt. Segelflygplanet är också relativt lätt, väger ca 6 kilo. Forskarna hoppas att inom en snar framtid, så kompakt, snabba robotvattenskummare kan sättas in i team för att undersöka stora delar av havet.

"Havet förblir enormt undermonitorerat, "säger Gabriel Bousquet, en tidigare postdoktor vid MIT:s avdelning för luftfart och astronautik, som ledde designen av roboten som en del av sin examensarbete. "Särskilt, Det är mycket viktigt att förstå södra oceanen och hur det interagerar med klimatförändringarna. Men det är väldigt svårt att ta sig dit. Vi kan nu använda energin från miljön på ett effektivt sätt för att göra denna långväga resa, med ett system som förblir småskaligt. "

Bousquet kommer att presentera detaljer om robotsystemet den här veckan vid IEEE:s internationella konferens om robotik och automatisering, i Brisbane, Australien. Hans medarbetare i projektet är Jean-Jacques Slotine, professor i maskinteknik och informationsvetenskap och i hjärnvetenskap; och Michael Triantafyllou, Henry L. och Grace Doherty professor i havsvetenskap och teknik.

Hastighetens fysik

Förra året, Bousquet, Slotine, och Triantafyllou publicerade en studie om dynamiken i albatrossflyg, där de identifierade mekaniken som gör det möjligt för den outtröttliga resenären att täcka stora avstånd samtidigt som den lägger ner minimal energi. Nyckeln till fågelns maratonresor är dess förmåga att rida in och ut ur luftslag med hög och låg hastighet.

Specifikt, forskarna fann att fågeln kan utföra en mekanisk process som kallas "överföring av momentum, "där det tar fart från högre, snabbare luftlager, och genom att dyka ner överför den momentum till lägre, långsammare lager, driver sig själv utan att behöva ständigt klappa vingarna.

Intressant, Bousquet observerade att fysiken för albatrossflygning är mycket lik den för segelbåtresor. Både albatrossen och segelbåten överför fart för att fortsätta röra sig. Men när det gäller segelbåten, att överföringen inte sker mellan luftlager, men mellan luft och vatten.

"Segelbåtar tar fart från vinden med sitt segel, och injicera det i vattnet genom att trycka tillbaka med kölen, "Bousquet förklarar." Så utvinns energi för segelbåtar. "

Bousquet insåg också att den hastighet med vilken både en albatross och en segelbåt kan färdas beror på samma allmänna ekvation, relaterat till överföringen av momentum. Väsentligen, både fågeln och båten kan resa snabbare om de antingen kan hålla sig högt uppe eller interagera med två lager, eller medium, med mycket olika hastigheter.

Albatrossen klarar sig bra med den förra, eftersom dess vingar ger ett naturligt lyft, även om den flyger mellan luftlagren med en relativt liten skillnad i vindhastigheter. Under tiden, segelbåten utmärker sig med den senare, färdas mellan två medier med mycket olika hastigheter - luft mot vatten - även om skrovet skapar mycket friktion och förhindrar att det får mycket fart. Bousquet undrade:Tänk om ett fordon kunde utformas för att fungera bra i båda mätvärdena, gifta sig med höghastighetsegenskaperna hos både albatrossen och segelbåten?

"Vi trodde, hur kan vi ta det bästa från båda världarna? "säger Bousquet.

Ute på vattnet

Teamet utarbetade en design för ett sådant hybridfordon, som slutligen liknade ett autonomt segelflygplan med ett 3-meters vingspann, liknande den för en typisk albatross. De la till en hög, triangulärt segel, liksom en smal, vingliknande köl. De utförde sedan lite matematisk modellering för att förutsäga hur en sådan design skulle resa.

Enligt deras beräkningar, det vinddrivna fordonet skulle bara behöva relativt lugna vindar på cirka 5 knop för att glida över vattnet med en hastighet av cirka 20 knop, eller 23 miles i timmen.

"Vi fann att i lätta vindar kan du resa ungefär tre till tio gånger snabbare än en traditionell segelbåt, och du behöver ungefär hälften så mycket vind som en albatross, för att nå 20 knop, "Bousquet säger." Det är mycket effektivt, och du kan resa mycket snabbt, även om det inte är för mycket vind. "

Teamet byggde en prototyp av sin design, med hjälp av en glidflygplan designad av Mark Drela, professor i luftfart och astronautik vid MIT. Till botten av segelflygplanet lade de till en köl, tillsammans med olika instrument, som GPS, tröghetsmätningssensorer, automatisk pilotinstrument, och ultraljud, för att spåra glidflygplanets höjd ovanför vattnet.

"Målet här var att visa att vi mycket exakt kan styra hur högt vi är över vattnet, och att vi kan få roboten att flyga ovanför vattnet, sedan ner till där kölen kan gå under vattnet för att generera en kraft, och planet kan fortfarande flyga, "Säger Bousquet.

Forskarna bestämde sig för att testa denna "kritiska manöver" - övergången mellan att flyga i luften och doppa kölen för att segla i vattnet. Att genomföra detta drag kräver inte nödvändigtvis ett segel, så Bousquet och hans kollegor bestämde sig för att inte inkludera en för att förenkla preliminära experiment.

Hösten 2016, laget testade sin design, lansera roboten från MIT -seglingspaviljongen ut på Charles River. Eftersom roboten saknade ett segel och någon mekanism för att komma igång, laget hängde den från ett fiskespö fäst vid en valfångarbåt. Med denna inställning, båten bogserade roboten längs floden tills den nådde cirka 20 miles i timmen, vid vilken tidpunkt roboten autonomt "tog fart, "åker i vinden på egen hand.

En gång flyger det självständigt, Bousquet använde en fjärrkontroll för att ge roboten ett "ned" -kommando, får den att sjunka tillräckligt lågt för att sänka kölen i floden. Nästa, han justerade kölens riktning, och observerade att roboten kunde styra bort från båten som förväntat. Han gav sedan ett kommando för roboten att flyga tillbaka upp, lyfta kölen ur vattnet.

"Vi flyger väldigt nära ytan, och det fanns mycket liten felmarginal - allt måste vara på plats, "Bousquet säger." Så det var mycket hög stress, men väldigt spännande. "

Experimenten, han säger, bevisa att lagets konceptuella enhet kan resa framgångsrikt, drivs av vinden och vattnet. Så småningom, han föreställer sig flottor av sådana fordon som autonomt och effektivt övervakar stora havsområden.

"Tänk dig att du kan flyga som en albatross när det är riktigt blåsigt, och sedan när det inte är tillräckligt med vind, kölen låter dig segla som en segelbåt, "Säger Bousquet." Detta utökar dramatiskt den typ av regioner där du kan gå. "