یک اصفهانی ربات پرنده ساخت

ریزپرنده‌ها نیز گروهی از این هواپیماها است که در ابعادی کوچک‌تر از 500 میلی‌متر و با وزن کمتر از 500 گرم در چهار مدل بالزن، بال ثابت، بال چرخان و عمود پرواز طراحی می‌شوند. ریزپرنده‌ها هواپیماهای کوچک، سبک و بدون سرنشین هستند که می‌توان در زمینه‌های متعددی در حوزه نظامی و غیرنظامی از آنها استفاده کرد. مهندس مصطفی حسنعلیان، دانش آموخته مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان با انجام مطالعاتی روی ریز پرنده‌های بالزن موفق شده است به شیوه نوینی برای طراحی مفهومی این ریز پرنده‌ها دست پیدا کند. نتایج این تحقیق در بیست و دومین کنفرانس بین‌المللی مهندسی مکانیک به‌عنوان پایان نامه برتر انجمن مهندسان مکانیک ایران معرفی شد.

الهام از پرندگان

حسنعلیان در پاسخ به علت اصلی انتخاب این طرح به‌عنوان پایان‌نامه برتر انجمن مهندسان مکانیک ایران می‌گوید: من از هفت سال پیش مطالعاتی را روی ریزپرنده‌ها انجام داده‌ام. در دوره کارشناسی روی نمونه‌های ریزپرنده‌های بال ثابت کار کردم. کوادروتور‌ها و هگزاروتور‌ها که از نظر ساختاری شبیه هلیکوپترها هستند در گروه عمودپروازها قرار دارند. گروه دیگر ریز پرنده‌ها را VTOL‌ها تشکیل می‌دهند. برخاست و فرود این ریزپرنده‌ها به‌صورت عمودی است. نام این گروه از ریز پرنده‌ها مخفف شده عبارت Vertical Takeoff Landing است. تحقیقات من در دوره کارشناسی در زمینه ریزپرنده‌های بال ثابت متمرکز بود و توانستم روش جدیدی برای طراحی این گروه از ریزپرنده‌ها ارائه کنم که در مقطع کارشناسی این پایان‌نامه به‌عنوان پایان‌نامه برتر انتخاب شد. در سیزدهمین جشنواره جوان خوارزمی روند ارائه شده برای طراحی این گروه از ریز پرنده‌ها در بخش پژوهش‌های توسعه‌ای رتبه سوم را کسب کرد. در دوران کارشناسی ارشد تصمیم گرفتم روی نمونه‌های پیچیده‌تر این پرنده‌ها که نمونه‌های بالزن است تحقیق کنم. برای این کار ابتدا مطالعات جامعی را روی پرندگان انجام دادم. ما 27 راسته پرنده داریم که در این راسته‌ها در مجموع 8900 گونه پرنده تعریف و شناسایی شده‌است. برای این کار لازم بود ویژگی‌های همه این پرندگان استخراج شود. هر پرنده‌ای که شما می‌بینید یک ویژگی خاص پروازی دارد. برای مثال آلباتروس پرنده‌ای است که طول بال‌های آن به 6‌/‌3 متر می‌رسد یا مرغ‌های مگس خوار که از قابلیت پرواز بدون حرکت رو به جلو برخوردارند. در این بازه پرنده‌های مختلفی داریم که هر کدام از آنها ویژگی‌های پروازی مختلفی دارند. آنچه این طرح را متمایز ساخته این است که برای طراحی مفهومی ریزپرنده‌ها از پرندگان الگو گرفته شده که بر این اساس شیوه جدیدی برای طراحی ریزپرنده‌های بالزن ارائه شده است.

وی با اشاره به اهمیت این یافته‌ها در طراحی بالزن‌ها می‌افزاید: الهام گرفتن از طبیعت ثابت می‌کند پرواز به شیوه بال زدن پرندگان از نظر عملکردی مزایای بسیاری را به همراه دارد. کوچک شدن ابعاد و کاهش اندازه بالها در ریزپرنده‌های بال ثابت و بال چرخان به کاهش عملکرد آیرودینامیکی مقاطع منجر می‌شود که از گذار در اعداد رینولدز پایین ناشی می‌شود. رینولدز کمیتی است که میزان و حالت جریان را نشان می‌‌دهد. به همین دلیل است که اگر بخواهیم ریزپرنده‌های بال ثابت یا بال چرخان یا حتی ریزپرنده‌ها VTOL را در ابعاد کوچک طراحی کنیم به نتیجه مطلوبی دست پیدا نمی‌کنیم؛ اما ریز پرنده‌های بالزن توانسته تا حد زیادی این مشکل را برطرف کند. به همین دلیل در طرح بعدی به سراغ ریزپرنده‌های بالزن رفته‌ایم. بالزن‌ها دقیقا شبیه پرنده‌ها هستند که می‌توانند حالت‌های پروازی مختلفی داشته باشند. من براساس مطالعاتی که درباره پرنده‌ها انجام داده‌ام و همچنین کارهای دیگری که در این زمینه در سطح دنیا انجام شده بود و از همه مهم‌تر ایده‌ای که خودم داشتم برای نخستین‌بار روش‌های مدونی را برای طراحی این ریز پرنده‌ها تعریف کرده‌ام. این روش یک چرخه جدید طراحی را شامل می‌شود که برای نخستین‌بار در دنیا انجام شده است. این چرخه بر مبنای ماموریت خاصی که قرار است آن وسیله پروازی انجام دهد شروع شده و در نهایت به صورت الگوریتم‌های تعریف شده پیش می‌رود که یک پرنده خروجی این روش خواهد بود.

آنچه این طرح را متمایز می‌سازد

به گفته حسنعلیان، روش‌های قبلی روش‌های آماری مبتنی بر سعی و خطا بوده است، اما این روش کاملا علمی و محاسباتی است. استخراج معادلات دینامیکی و سینماتیکی در حالت‌های مختلف پروازی مانند بال زدن و گلایدینگ و همچنین شبیه‌سازی فرآیند آنالیز قیدی روی این نمونه از ریزپرنده‌ها از جمله ویژگی‌هایی است که در این طرح مورد توجه قرار گرفته است.

حسنعلیان برای این‌که از بال زدن پرنده‌ها به معادلات ریاضی برسد از پرنده‌ای به نام مرغ مقلد شمالی که بومی آمریکاست، الگوبرداری کرده است. ریزپرنده‌ای که او ساخته بر مبنای ویژگی‌های این پرنده طراحی شده است. به عبارت دیگر ریز پرنده طراحی شده از نظر فرکانس بال‌زدن، سرعت رو به جلو و شکل بال‌ها دقیقا شبیه به این پرنده است و حتی این قابلیت را دارد که بین درختان پرواز کند و براساس قابلیت‌هایی که دارد می‌تواند ماموریت‌های مختلفی را انجام دهد.

حسنعلیان با اشاره به این که شیوه یا اصول بال زدن در هر شرایطی می‌تواند به دو شکل پرنده گونه یا حشره‌گونه تعریف شود، می‌گوید: در حشرات بال ثابت است و فقط بالا و پایین می‌رود. در پرندگان بال قابلیت جمع شوندگی دارد، یعنی درجات آزادی بال پرندگان در مقایسه با حشرات بیشتر است. نمونه‌ای که ما تعریف کرده‌ایم بر مبنای بال پرنده گونه طراحی شده است؛ یعنی سازه بال طوری طراحی شده که به بال این امکان را می‌دهد مانند بال یک پرنده حرکت داشته باشد. در این پژوهش ایده و طرحی برای نخستین‌بار ارائه شده که حسنعلیان در حال ثبت این اختراع است. او به جای این که یک پرنده مصنوعی بسازد از یک مرغ ماهیخوار تاکسیدرمی شده استفاده کرد، به عبارت دیگر طراحی معکوس انجام داد. برای این کار سیستم متحرکی داخل بدن پرنده مرده قرار می‌گیرد. ویژگی‌هایی را که پرنده پیش از مردن و در زمان پرواز داشته است به پرنده می‌دهند؛ یعنی می‌توان به سازه یک پرنده مرده دوباره قابلیت پرواز داد. این نخستین ریز پرنده‌ای است که از نظر شکل ظاهری و بال‌ها شکل طبیعی یک پرنده واقعی را دارد.

به گفته این پژوهشگر، در این طرح فقط چگونگی بال‌زدن و فرکانس بال زدن براساس مکانیسم خاصی طراحی می‌شود و این مکانیسم به ریز پرنده این امکان را می‌دهد که بتواند با سرعت خاصی پرواز کرده و با فرکانس معینی بال بزند. وی در توضیح قابلیت‌های ریزپرنده ابداعی در مقایسه با دیگر ریز پرنده‌ها این‌طور می‌گوید: در سراسر دنیا ریزپرنده‌های بالزن مختلفی ساخته شده است. اما این نمونه یک ویژگی بارز دارد و این که خیلی شبیه پرنده واقعی است، بنابراین وقتی پرواز می‌کند قابل شناسایی نیست، زیرا پرواز آن شبیه پرنده بوده و ابعاد آن هم دقیقا به اندازه پرنده واقعی ساخته شده است.

این پژوهشگر که قصد دارد در برنامه‌های بعدی درباره نمونه‌هایی کوچک‌تر از بالزن‌ها تحقیق کند که در ابعاد و اندازه حشرات طراحی می‌شوند درباره مشتریان احتمالی این طرح می‌گوید: حقیقت این است که در دوره کارشناسی برای نمونه‌های بال ثابت طرح کسب و کاری را ارائه کردم که می‌توانست این ریزپرنده را تا تولید انبوه پیش ببرد. این طرح نامزد جایزه طرح کسب و کار برتر شیخ بهایی شد که از جشنواره‌های معتبر فناوری در ایران است. قصد داشتیم براین اساس این طرح را نیز به تولید انبوه برسانیم.

ریزپرنده‌ها؛ از امداد و نجات تا سرگرمی

ریزپرنده‌ها می‌توانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند. برای مثال می‌توان از ریزپرنده‌ها برای پرواز داخل ساختمان‌ها استفاده کرد. این در حالی است که حرکت یک هواپیما یا ریز پرنده بال ثابت که با سرعت 80 تا 90 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند در فضاهای بسته امکان‌پذیر نیست. اما با توجه به این که این ریزپرنده با سرعت پایین حرکت می‌کند، می‌تواند از یک پنجره وارد ساختمان شود، بنابراین می‌توان برای امداد و نجات در زمان وقوع حوادث غیرمترقبه مانند زلزله یا در جنگل‌ها که امکان پرواز هواپیما در آنجا وجود ندارد از ریز پرنده‌ها کمک گرفت. اکنون نمونه‌هایی از ریزپرنده‌ها ساخته شده که می‌توان در دیگر سیارات از آنها استفاده کرد. بر این اساس می‌توان از نمونه‌هایی از ریز پرنده‌ها در مریخ استفاده کرد. جو مریخ رقیق است و در چنین شرایطی امکان استفاده از هواپیماهای بال ثابت وجود ندارد، اما در پرنده‌های بالزن، عامل اصلی برخاست از سطح زمین، نحوه بال زدن آنهاست و همین دلیل می‌تواند از قابلیت پرواز در جو رقیق هم برخوردار باشد. به‌طور کلی اگر شرایط مناسب باشد ساخت ریزپرنده بال‌ثابت کاربـرد بیشتری دارد، اما با توجه به این که طراحی و ساخت ریزپرنده‌های بالزن در مقایسه با ریزپرنده‌های بال ثابت پیچیده‌تر است استفاده از آنها در محیط‌های با شرایط خاص بیشتر مورد توجه بوده است. نتایج بازاریابی‌های انجام شده نشان‌دهنده این است سازمان‌های متعددی اعم از نظامی و غیرنظامی می‌توانند مشتری این طرح باشند. حتی این ریزپرنده‌ها می‌توانند به‌عنوان سرگرمی هم کاربرد داشته باشند. گرچه برای طراحی آنها موانع تخصصی بسیاری پشت سر گذاشته می‌شود، اما در دنیا همیشه همین‌طور است، یعنی طرح‌هایی که در چنین حوزه‌های ارائه می‌شود باید برای عموم مردم کاربردی و قابل استفاده باشد؛ بنابراین مشتریان این گروه از هواپیماها با توجه به نوع کاربرد آن متفاوت خواهد بود.

فرانک فراهانی‌جم ‌/‌ گروه دانش