F-SAM — طائرة مسيّرة مرنة يمكن لفّها كأنها أنبوب
تبيّن أن إنشاء روبوت طائر لا يحتاج إلى معدات كثيرة. فالروبوتات الطائرة عادةً ما تكون مصممة بتعقيد شديد وتضم عددًا كبيرًا من المكونات، مثل جناحين كاملين أو أربعة محركات منفصلة.
ربما تُبنى هذه الأجهزة لأشخاص يمتلكون تمويلًا كبيرًا، لكن بالنسبة لأي شخص يحاول الالتزام بميزانية معقولة، فكل ما يتطلبه بناء روبوت طائر فعليًا هو جناح هوائي واحد ومروحة ثابتة الزاوية مثبتة عليه. وإذا جعلت هذا الجناح الهوائي مرنًا، فيمكنك حتى طيه بالكامل في شكل أشبه بلفافة روبوتية طائرة سويسرية.
يُسمى هذا النوع من المركبات الجوية المسيّرة «المونوكوبتر»، ويستند تصميمه بشكل عام إلى بذور نبات السامارا، وهي عبارة عن علب بذور مفردة لها «جناح». تسهم قدرتها على الدوران المستقر في إبطاء هبوط البذور نحو الأرض، ما يتيح لها الانتشار لمسافات تصل إلى عدة كيلومترات. وهو تصميم مستقر بطبيعته، يدور من تلقاء نفسه بشكل منتظم ويمكن التنبؤ به، وهي ميزة جيدة للطائرات المسيّرة، إذ إذا تعطل شيء ما في المعدات، فإنها تدور ببطء نحو الأسفل لتهبط بشكل افتراضي.
طورت جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم مونوكوبتر يُسمى F-SAM، وهو اختصار لعبارة «Foldable Single-Actuator Monocopter» أي المونوكوبتر القابل للطي ذي المحرك الواحد. ربما لا تحتوي المكونات المادية على الكثير، لكن هذا جزء من سحر تصميم الجهاز. فمحرك واحد يوفر التحكم الكامل في الاتجاه: إذ تزيد دواسة الغاز عدد دورات الجهاز، ما يجعله يرتفع.
قد يبدو التحكم في المونوكوبتر معقدًا، لأنه يتطلب نبضات متكررة من المحرك في نقطة محددة أثناء دوران الجهاز. يعمل F-SAM في بيئة التقاط الحركة داخل الفيديو لدراسة إمكاناته في تحقيق استقلالية دقيقة، لكنه غير مقيد بهذه البيئة ولا يحتاج إلى تحكم خارجي لتشغيله.
على الرغم من أن لوحة التحكم في F-SAM صُممت حسب الطلب، وأن الجناح يحتاج إلى بعض المعالجة، فإن بقية الأجزاء رخيصة الثمن وتُباع منفصلةً. يبلغ الوزن الإجمالي لجهاز F-SAM 69 غرامًا فقط، ويشكل البطارية منها نحو 40%، ما يتيح زمن طيران يبلغ نحو 16 دقيقة.
تواصلت مجلة IEEE Spectrum مع مطوري المونوكوبتر وطرحت عليهم عدة أسئلة. درس العلماء مواد مختلفة ومزيجًا من المواد لتصميم الجناح المرن. وسأل المحرر لماذا توقفوا عند خليط من خشب البالسا والبلاستيك.
«يتطلب تصميم جناح المونوكوبتر صلابة، حتى يمكن التحكم فيه أثناء الطيران. ورغم أن المونوكوبتر يمكنه الطيران باستخدام مواد أكثر مرونة جربناها، مثل البلاستيك المرن أو البوليمر المرن، فإنها تسمح للجناح بالدوران بحرية أثناء الطيران، ما يقلل من كفاءة التحكم الدوري بالمحرك. أما خشب البالسا المغلف بالبلاستيك فيوفر صلابة كافية للتحكم الفعّال، ويتيح في الوقت نفسه الطي»
وفقًا للباحثين، يمكن لجهاز F-SAM الطيران في الهواء الطلق. وهو مستقر بشكل سلبي، لذلك لا يحتاج طيرانه إلى تحكم بالتغذية الراجعة. وتوفر بيئة التقاط الحركة موقعه المطلق للرحلات داخل المحطات والنقاط المرجعية في الأماكن المغلقة. وعند الطيران في الهواء الطلق، توفر البوصلة الإلكترونية الاتجاه النسبي للتحكم الدوري الأساسي. ويعمل فريق العلماء حاليًا على نموذج أولي يحتوي على نظام GPS مدمج لتحقيق الطيران الذاتي في الهواء الطلق.
«يمكن إضافة كاميرا (فعلنا ذلك من قبل)، لكن بسبب طبيعتها الدوارة قد تأتي الصور غير واضحة. وأصبحت كاميرات الرؤية بزاوية 360 درجة أخف وزنًا وأصغر حجمًا، ويمكننا تجربة تركيب واحدة على F-SAM أو على المونوكوبترات الأخرى التي لدينا. ومن المستشعرات المحتملة الأخرى مستشعر LiDAR أو مستشعر ToF. ومع LiDAR تتمتع المنصة بميزة، لأنها تدور أصلًا بسرعة معروفة. أما نظام LiDAR التقليدي فيتطلب محركًا خاصًا لإنتاج الحركة الدورانية. وكمنصة دوارة، يتمتع F-SAM بديناميكية دوران طبيعية، ما يجعل دمج LiDAR سهلًا وأكثر كفاءة»
حتى اليوم يمكن طي F-SAM في شكل مدمج وحفظه داخل حاوية. ومع ذلك، ما زال يتطلب من شخص أن يفرده ويطلقه يدويًا، أو يضعه على الأرض حتى يطير. ويفترض العلماء أنه في المستقبل سيُوضع F-SAM في حاوية تحتوي على آلية (مثل غاز مضغوط) لإطلاق الكتلة المطوية إلى الهواء، حتى يتمكن من البدء في الانفراد فورًا بفضل المواد المرنة المستخدمة. ويمكن للمحرك أن يبدأ الدوران، الذي يسمح للجناح بالاستقامة بفعل القوى الطاردة المركزية.
يرى العلماء أن F-SAM قد يكون لعبة جيدة، لكنه لا يمكن أن يكون بديلًا جيدًا لطائرات الكواد كوبتر إذا كان الهدف هو التصوير الجوي أو التصوير بالفيديو المعتاد. ومع ذلك، قد يكون منافسًا جيدًا في المهام الاستطلاعية أحادية الاستخدام الموجهة بنظام GPS. ولأن الطيران يعتمد على محرك واحد فقط، يمكن تصنيعه بتكلفة منخفضة نسبيًا.
إضافة إلى ذلك، فهو هادئ جدًا أثناء الطيران ويختفي بسهولة بعد الهبوط. ويمكن دمج مستشعرات خفيفة الوزن في المنصة لمهام مختلفة، مثل مراقبة المناخ. ويمكن إطلاق عدة أجهزة F-SAM من الجو، إذ إنها قادرة على الدوران تلقائيًا أثناء الهبوط، وكذلك على الطيران في فترات محددة لجمع البيانات الجوية المتقدمة عن الأرصاد الجوية.
«لدينا عدة مشاريع مثيرة للاهتمام، ويدور معظمها حول فكرة «افعل المزيد بتكلفة أقل». وهذا يعني أن مشاريعنا تهدف إلى تنفيذ عدة مهام وأنماط طيران باستخدام أقل عدد ممكن من المحركات. وعلى غرار F-SAM الذي يستخدم محركًا واحدًا فقط لتحقيق طيران خاضع للتحكم، نعمل على مشروع آخر، وهو نسخة ذاتية الدوران بالكامل تُسمى Samara Autorotating Wing (SAW)»
وبحسبه، يمكن لهذه المنصة أن تعمل بنمطين للطيران باستخدام محرك واحد فقط. وهي مثالية لنشر أجهزة استشعار أحادية الاستخدام في أماكن نائية. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام المنصة لنشر أجهزة استشعار لمراقبة الغابات أو نظام الإنذار المبكر عن حرائق الغابات.
يمكن لأجهزة الاستشعار أن تهبط على قمم الأشجار، وبعد الهبوط يوفر الجناح المساحة اللازمة لالتقاط الطاقة الشمسية، لتعمل بشكل مستمر لعدة سنوات. وسيناريو آخر مثير للاهتمام هو استخدام منصة الدوران الذاتي لتوجيه مسابير الطقس الراديوية للعودة إلى نقطة الجمع بعد انتهاء صعودها.
وأوضح الباحث أن كثيرًا من مسابير الطقس الراديوية تُطلق حاليًا بالبالونات الهوائية المملوءة بالهيدروجين من محطات الأرصاد الجوية حول العالم (أكثر من 20 ألفًا سنويًا من أستراليا وحدها)، وبمجرد أن يصل البالون إلى ارتفاع كبير وينفجر، تسقط أجهزة الاستشعار عائدةً إلى الأرض. وبتوجيهها إلى نقطة الجمع، يمكن توفير ملايين الدولارات سنويًا، كما يساعد ذلك في حماية البيئة عبر تقليل التلوث.
