מזל"טים שחפים, רובובבורים וכלי טיס המונעים על ידי אדם - כל המכונות המעופפות הללו שואלות רבות מהעיצובים של הטבע. אבל בניית רובוטים בהשראת בעלי חיים...
מזל"טים שחפים, RoboBees, ו מטוס המונע על ידי אדם - כל המכונות המעופפות הללו שואלות רבות מהעיצובים של הטבע. אבל בניית רובוטים בהשראת בעלי חיים דורשת הבנה של איך החיות פועלות, לפחות ברמה הבסיסית. ייתכן שבני אדם לעולם לא יבנו משהו מורכב כמו עטלף, אבל אנו יכולים לבנות גרסה פשוטה ששאולה את הטריקים המרכזיים של העטלף. דנש טפטי ועמיתיו בווירג'יניה טק עושים את העבודה הקשה להקל על העבודה הזו.
כנפי עטלפים הן למעשה זרועות וידיים מכוסות בקרום נמתח ורגיש. על ידי הרמת אצבע, עטלפים יכולים לבצע תיקוני מסלול דקות באוויר. אבל קשה להתגרות איך הם עושים את זה. אתה צריך להדביק הרבה חיישנים על עטלף ולתת לו לעוף, למדוד כוחות אווירודינמיים. לאחר מכן, סימולציות ממוחשבות צריכות לחתוך את הקריאות הללו כדי לדמות את הדינמיקה הנוזלית של הטיסה.
הצוות של טפטי עשה לאחרונה את האחרון, תוך שימוש במדידות מוקלטות שהושלמו על ידי קבוצת אוניברסיטת בראון. הם עיצבו את שדה הזרימה שכנף של עטלף מייצרת, משהו שקשה מאוד למדוד בו ניסויים - דמיינו לראות עטלף מתנופף במנהרת רוח, ומנסה להבין את פיזיקה.
"הדבר הזה זז לכל עבר, אז קשה מאוד לקבל הערכה כמותית של איך נראה שדה הזרימה", אומר טפתי. "הוא יכול לתפעל את האצבעות שלו בנפרד - למתוח אותן, להרגיע אותן, לעשות כל מיני דברים שציפורים באמת לא יכולות לעשות. העטלפים הם ייחודיים במספר דרגות החופש שיש להם בתפעול הכנפיים שלהם, כך שזו תנועה מאוד מורכבת".
חיישני כנפי עטלף
אתה צריך שני דברים כדי לעוף: עילוי, שהוא הכוח ששומר אותך מוטס, ודחף, שגורם לך להתקדם (לעיתים קרובות לצורך יצירת עילוי). ציפורים, עטלפים וחרקים עושים זאת על ידי נפנוף כנפיים וגלישה. בני אדם עושים זאת על ידי דחיפה או משיכה של ציר אוויר קבוע במהירות רבה באוויר, ובעצם יוצרים שיפוע לחץ שמושך את ציר האוויר למעלה. (ציר אוויר הוא כנף של מטוס.)
הרמה ודחף הם שניהם כוחות מורכבים, במיוחד עבור כנף מורכבת מאוד כמו זו של עטלף. אתה צריך למדוד איך הם פועלים בכל האגף. טפטי וצוותו הסתכלו על מדידות שנלקחו מעטלף פירות עם אף נמוך יותר בזמן שהוא עף בקו ישר בזווית של בערך 21 מעלות. זה היה טיפוס, אז זה יצר עילוי גדול יותר, אומר טפתי.
הם שמו לב שהכנף מתעוותת בכמה דרכים כשהיא נעה באוויר. העטלף משנה את שטח הפנים והפיתול של כנפיו, ועושה שינויים קטנים באצבעותיו. איור זה מציג את כל הדרכים המורכבות שבהן הכנף מתעצבת במהלך טיסה:
קינמטיקה של כנפי עטלף
בתנועה הספציפית הזו, העטלף מנסה לצבור גובה, כך שזו לא תצורת הטיסה היעילה ביותר. יעילות ההנעה של העטלף (בניגוד לסוגים אחרים של יעילות ביולוגית) היא רק כ-8 אחוזים, אומר טפטי. אבל זה בסדר בגלל מה שהוא עושה. זה דומה למטוס סילון שמשתמש בכוח מרבי להמראה, ומתיישר כאשר הוא מגיע לגובה שיוט. "הרבה מהכוח שהוא מוציא הולך להגברת העילוי שלו, ולא לדחף", אומר טפתי.
כל זה עוזר להסביר כיצד התנועות המורכבות והמפותלות של כנף יד של עטלף מייצרות הן הרמה והן דחיפה. השלב הבא הוא לפרק את מעוף הניסוי של העטלף המסוים הזה לתנועות אינדיבידואליות, זעירות, כדי לראות אילו כיפופי כנפיים קטנים או צורות מסוימות הם האנרגטיים ביותר.
"עטלפים זריזים ביותר; הם עושים כל מיני דברים מטורפים באוויר. זה משנה מסלול, זה מסתובב, זה צולל", אומר טפתי. "מה שהיינו רוצים לעשות זה ללמוד הרבה מהסוגים השונים האלה של תנועות כנפיים ולנסות לחלץ קווים משותפים מסוימים בין תמרונים שונים."
המטרה הסופית: דגם פשוט של טיסת עטלף, שהמהנדסים יכולים להשתמש בו כדי ליצור רובובאט שטס כמו אחד אמיתי. "אתה יכול לקרוא להם החלקים החיוניים של תנועת העטלף המלאה", אומר טפטי. "אנחנו מנסים להפריד את הבשר מהעצמות."
התייחסות: אווירודינמיקת טיסה בטיפוס בקו ישר של עטלף פרי. ק. Viswanath, K. נגנדרה, ג'יי. קוטר, מ. פראונטל וד. ק. טפטי. פיזי. נוזלים 26, 021901 (2014)
DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4864297/
