باحثو تويوتا يبتكرون طائرة مسيّرة بحجم حشرة
ابتكر باحثون من مختبرات تويوتا المركزية للبحث والتطوير روبوتاً جوياً بحجم حشرة له أجنحة خافقة يعمل باستخدام تقنية الترددات الراديوية اللاسلكية. وقد وُصفت هذه المسيّرة في مقال نشرته مجلة Nature Electronics، وتعتمد على مستقبل طاقة بالترددات الراديوية بقدرة نوعية تبلغ 4900 واط لكل كيلوغرام.
«تتمتع الطائرات المسيّرة الصغيرة عادةً بزمن تشغيل محدود للغاية بسبب مصدر طاقتها. وكان هدف دراستنا الأخيرة تجاوز هذا القيد. وتجد مصادر الطاقة اللاسلكية التي تعمل بالموجات الكهرومغناطيسية حالياً تطبيقات عملية في منتجات متنوعة، لكن لم يُعرف بعد مدى إمكانية تطبيقها على الروبوتات الجوية الصغيرة»
كان الهدف الرئيسي لدراسة أوزاكي وزملائه هو تشغيل روبوت طائر بحجم حشرة باستخدام تقنية الشحن اللاسلكي بدون تلامس. ويتألف الروبوت الذي طوره الباحثون في جوهره من مشغّل كهروضغطي متذبذب، يُزوَّد بالطاقة من هوائي ثنائي القطب يعمل على تردد 5 غيغاهرتز.
«الطائرات بحجم الحشرات أدوات مفيدة للاتصالات ودراسة البيئة واستكشاف الأماكن المغلقة. لكن غياب بطاريات خفيفة ذات كثافة طاقة عالية يحد من مدة طيران هذه المركبات الجوية المصغرة. ويمكن لنقل الطاقة اللاسلكي باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات الراديوية أن يوفر، من حيث المبدأ، القدرة على اختراق العوائق، وإمكانيات توجيه الموجات وتركيزها، والتحكم غير الميكانيكي في المركبات باستخدام مصفوفات هوائية طورية. لكن استخدام نقل الطاقة بالترددات الراديوية ظل حتى الآن مقتصراً على مركبات أكبر حجماً»، جاء ذلك في الدراسة.
«من أهم ميزات روبوتنا التشغيل عالي الكفاءة للأجنحة الخافقة، الذي تحقق بفضل استخدام مادة كهروضغطية أحادية البلورة قوية وتصميم منخفض الفقد، تُوضع فيه جناحان متقابلان كأنهما يصفقان. ويوفر هذا التصميم نسبة بين القدرة والوزن قابلة للمقارنة بكفاءة الحشرات الحية»
تتمثل العقبة الرئيسية التي يواجهها المهندسون الساعون إلى بناء روبوتات بالغة الصغر في الارتفاع الحراري الناتج عن فقد الطاقة. وللتغلب على هذه المشكلة، قام أوزاكي وزملاؤه بتحسين تصميم دارة روبوتهم، بحيث لا توضع المكونات المولدة للحرارة قريبة من بعضها أو بجوار بعضها مباشرة.
كما استخدم الباحثون مستقبل طاقة بالترددات الراديوية بقدرة نوعية أعلى بكثير من بطاريات الليثيوم-بوليمر القياسية ذات الكتلة المماثلة. وقد حسّن ذلك الكفاءة وزمن تشغيل الروبوت بشكل ملحوظ.
«أعتقد أن أهم اكتشاف لدينا هو أن دارة دون الغرام قادرة على استقبال ومعالجة قدرة عالية تتجاوز واط واحد عن بعد عبر موجة راديوية. وهذا يعني أنه لا يمكن تطبيق ذلك على الطائرات المسيّرة فحسب، بل على أجهزة متنوعة أخرى تحتاج إلى قدرة كبيرة في أحجام صغيرة، دون الحاجة إلى بطاريات»
لتقييم فعالية تصميمهم، أجرى أوزاكي وزملاؤه سلسلة من التجارب. وفي هذه الاختبارات تمكنوا من جعل الروبوت بحجم الحشرة يقلع بسلاسة ودون الحاجة إلى بطاريات أو أسلاك.
يبلغ وزن الروبوت الذي طوّره هذا الفريق 1,8 غرام فقط، أي أنه أخف بأكثر من 25 مرة من المركبات الصغيرة الأخرى ذات المحركات الراديوية التي طُورت في الماضي. ولذلك قد يثبت في المستقبل قيمته الكبيرة في تنفيذ مهام معقدة تتعلق بالنفاذ إلى الشقوق والأنابيب وغيرها من المساحات الضيقة للغاية.
«في هذه الورقة البحثية أثبتنا بنجاح القدرة على الإقلاع. والخطوة التالية هي دمج تقنية تزويد الطاقة هذه مع التحكم في الاتجاه، لجعل هذا الروبوت قادراً على التحليق في الهواء والتنقل بحرية. ونعتقد أن ذلك ممكن تقنياً، إذ تمكنا بالفعل من التحكم في وضعية الروبوت باستخدام الطاقة السلكية»
يمكن استخدام المركبات الجوية الدقيقة (MAV) في استشعار البيئة والاتصالات والبحث والإنقاذ، وكذلك في التفتيش الذاتي للمناطق المغلقة أو الخطرة. لكن القواعد المنظمة لهذه الأجهزة تزداد صرامة بسبب خطر الحوادث. فعلى سبيل المثال، يجب في الولايات المتحدة تسجيل الطائرات المسيّرة التي يتجاوز وزنها 250 غراماً، كما تُقيَّد مناطق طيرانها بشدة.
أعلنت اليابان مؤخراً أيضاً أن الحد الأدنى لوزن الطائرات المسيّرة الصغيرة سيُخفَّض من 200 إلى 100 غرام. وعلى وجه الخصوص، بما أن طاقة اصطدام الجسم الجوي الساقط تعتمد بشدة على كتلته، يمكن تعزيز سلامة المركبات الجوية الدقيقة من خلال تصميم وتطوير أجهزة خفيفة بحجم الحشرات.
يرى الباحثون أنه يمكن تحقيق مركبة جوية دقيقة كاملة الوظائف وغير مقيدة بكتلة الحشرات، وذلك عن طريق تحسين تصميم المركبة وإضافة وظائف جديدة. ومن بين ذلك دمج نظام التحكم في الطيران واستخدام نظام تركيز الحزمة وتوجيهها لجهاز نقل الطاقة.
