הרחפן שעובר ממצב טיסה לנהיגה תוך כדי תעופה
ינואר 2010. רכב החלל "ספיריט" של נאס"א, ששוטט על פני כוכב מאדים במשך 6 שנים תמימות, נתקע בחול רך ליד מכתש קטן. הגלגלים שקעו עמוק יותר ויותר בכל ניסיון להיחלץ, עד שהמהנדסים בכדור הארץ נאלצו לוותר. הסיפור הזה, שהפך לידוע היטב בקרב חוקרי רובוטיקה, עמד ברקע פרויקט חדש שיצא לדרך במכון הטכנולוגי של קליפורניה "קאלטק", איך אפשר לתכנן מכונה שלא תיפול בפח הזה?
מורטזה גריב, פרופסור להנדסת אווירונאוטיקה ומנהל המרכז למערכות אוטונומיות וטכנולוגיה בקאלטק, ניסח את השאלה בפשטות: "היה להם רובר, והיה להם מסוק. אלו שתי מערכות נפרדות… אז קיבלנו את הרעיון, למה שהרובר לא יוכל להיות גם מסוק, והמסוק לא יוכל להיות גם רובר?". השאלה הפשוטה הזו הובילה בסופו של דבר לפיתוח שנמשך שלוש שנים וחצי.
התוצאה נקראת ATMO, ראשי תיבות של Aerially Transforming Morphobot שתרגומו הוא מורפובוט המשתנה באוויר. רובוטים מהסוג הזה, המכונים בספרות המקצועית "מורפובוטים", מנצלים את אותם האיברים לשתי מטרות שונות לגמרי. הבעיה המרכזית עם רוב הדגמים הקודמים הייתה שהם משנים צורה רק אחרי שכבר נגעו בקרקע, וזה בדיוק המקום שבו שטח מחוספס עלול ללכוד אותם, בדיוק כפי שקרה ל"ספיריט".
מנוע יחיד מחליף 12 מנועים קטנים
ATMO שוקל 5.5 ק"ג בלבד. במצב טיסה הוא נראה כמו רחפן רגיל בעל 4 מדחפים, ברוחב של כ-65 ס"מ. אלא שהמעטפות המגנות על המדחפים הללו, טבעות פלסטיק שמונעות פגיעה בלהבים, הן בדיוק מה שהופך לגלגלים כשהרובוט עובר למצב נהיגה. גם הגובה משתנה בהתאם: 16 ס"מ בלבד בטיסה, לעומת 33 ס"מ על הקרקע.
החידוש המרכזי טמון במנגנון ההטיה. בדגם הקודם, שנקרא M4, נדרשו לא פחות משנים עשר מנועים קטנים כדי לשלוט בתנוחת הגוף בשני המצבים. איך בדיוק הצליחו החוקרים לצמצם את כל זה למנוע יחיד? מנוע DC בודד, כלומר מנוע זרם ישר, מסובב גלגל תולעת שמטה את ארבעת זרועות הגלגל-מדחף בבת אחת, בצורה סימטרית. ומה שמיוחד הוא שברגע שהמנוע מפסיק לפעול, המנגנון ננעל במקום מעצמו, בלי לצרוך אנרגיה נוספת ובלי סכנת נזק.
כדי להבין איך בדיוק המדחפים מתפקדים כשהם קרובים לקרקע ומוטים בזווית, ערך הצוות ניסויי עשן ומדידות דחף במעבדת הרחפנים של קאלטק. הממצא הפתיע גם אותם: בזווית הטיה של כ-50 מעלות, קרבה לקרקע דווקא מוסיפה כמעט 20% דחף תופעה שקרויה בעולם התעופה 'אפקט קרקע'. מעבר ל-70 מעלות קורה ההפך: שני זרמי האוויר מתנגשים ונוצרת ירידה חדה בדחף, תופעה שהחוקרים מכנים 'יניקה אווירודינמית'. מנדרליס ניסח זאת בפשטות, הכניסה למצב הזה מסוכנת, משום שאובדן הדחף גורם למהירות פגיעה גבוהה מהצפוי.
בינה מלאכותית שמנחתת ברגע האחרון
איך בכלל מלמדים רובוט להחליט מתי ובאיזו זווית להטות את עצמו, בעודו נמצא באוויר ומתקרב לקרקע במהירות? כאן נכנס לתמונה החלק שהחוקרים מגדירים כחידוש המרכזי במחקר: מערכת בקרה מבוססת חיזוי מודל שמחשבת מראש את התוצאות הצפויות של פעולות שונות ובוחרת מביניהן את הפעולה האופטימלית, המערכת רצה 150 פעמים בשנייה על מחשב זעיר המותקן על גוף הרובוט. איואניס מנדרליס, הסטודנט לתואר שני שעמד בראש המחקר, הסביר בראיון לכתב העת המקצועי Tech Briefs שמדובר באלגוריתם המשתמש במודל פיזיקלי של הרובוט כדי לחזות מה יקרה בשבריר השנייה הבא, ולפי זה לחשב את הפעולה הנדרשת.
בניסוי שנערך במתקן הטיסה של קאלטק, נחת הרובוט בזווית הטיה סופית של 65 מעלות, 15 מעלות מעל הזווית המרבית שבה מדחף רגיל עדיין שומר על יכולת תמרון. בניסוי נוסף הוא המריא תוך כדי נהיגה, טס קצרות, וחזר ונחת חלק על גלגליו. ובניסוי שלישי, אולי המרשים מכולם, נחת ה-ATMO בהצלחה על מדרון בשיפוע של 25 מעלות והמשיך לנסוע משם הישג שרחפן רגיל מתקשה מאוד לבצע בלי להתהפך.
החוקרים כבר מתכננים את השלב הבא: הוספת מצלמות פנימיות שיאפשרו לרובוט לבחור בעצמו היכן לנחות. גריב ציין שהשיטה מתאימה במיוחד לנחיתות חירום על שיפועים ולמעברים מהירים בין טיסה לנסיעה. מעבר ליישומי חיפוש והצלה במקומות שקשה להגיע אליהם, בקאלטק כבר עובדים על גרסה משופרת שתוכל לשאת עומס נוסף, ואף לטפס במדרגות. בכל הנוגע לעלות הפיתוח, מנדרליס מקווה להוזיל בעתיד את מחיר הייצור באופן משמעותי, כך שהטכנולוגיה תוכל להתאים לשימוש מסחרי רחב יותר. הרעיון המרכזי שמנחה את הפרויקט, כפי שהסביר מנדרליס, שאוב מהיכולת שהבורא חנן בה ציפורים מסוימות: לקפל את הכנפיים תוך כדי טיסה, כדי להאט ולעבור מכשולים בדרכן לקרקע.
תגובות
היו הראשונים להגיב!