Gli ingegneri del MIT hanno progettato un aliante robotico in grado di sfiorare la superficie dell'acqua, cavalcare il vento come un albatro e anche cavalcare le onde come una barca a vela.

Nelle regioni di forte vento, il robot è progettato per stare in alto, molto simile alla sua controparte aviaria. Dove ci sono venti più calmi, il robot può invece immergere una chiglia nell'acqua per navigare come una barca a vela altamente efficiente.

Il sistema robotico, che prende in prestito sia dal design nautico che biologico, può coprire una determinata distanza usando un terzo del vento di un albatro e viaggiando 10 volte più velocemente di una tipica barca a vela. L'aliante è anche relativamente leggero, pesa circa 6 chili. I ricercatori sperano che nel prossimo futuro, così compatto, veloci skimmer robotici possono essere schierati in squadre per ispezionare vaste aree dell'oceano.

"Gli oceani rimangono ampiamente sottomonitorati, "dice Gabriel Bousquet, un ex postdoc nel Dipartimento di aeronautica e astronautica del MIT, che ha guidato la progettazione del robot come parte della sua tesi di laurea. "In particolare, è molto importante capire l'Oceano Antartico e come interagisce con il cambiamento climatico. Ma è molto difficile arrivarci. Ora possiamo utilizzare l'energia dall'ambiente in modo efficiente per fare questo viaggio a lunga distanza, con un sistema che rimane su piccola scala."

Bousquet presenterà i dettagli del sistema robotico questa settimana alla Conferenza internazionale sulla robotica e l'automazione dell'IEEE, a Brisbane, Australia. I suoi collaboratori al progetto sono Jean-Jacques Slotine, professore di ingegneria meccanica e scienze dell'informazione e di scienze del cervello; e Michael Triantafyllou, l'Henry L. and Grace Doherty Professor in Ocean Science and Engineering.

La fisica della velocità

L'anno scorso, Bousquet, Slotina, e Triantafyllou hanno pubblicato uno studio sulla dinamica del volo degli albatros, in cui sono state individuate le meccaniche che consentono all'instancabile viaggiatore di percorrere grandi distanze spendendo il minimo di energia. La chiave per i viaggi della maratona dell'uccello è la sua capacità di entrare e uscire da strati d'aria ad alta e bassa velocità.

Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che l'uccello è in grado di eseguire un processo meccanico chiamato "trasferimento di quantità di moto, " in cui prende slancio dall'alto, strati d'aria più veloci, e immergendoti trasferisce lo slancio verso il basso, strati più lenti, spingendosi senza dover sbattere continuamente le ali.

interessante, Bousquet ha osservato che la fisica del volo dell'albatro è molto simile a quella del viaggio in barca a vela. Sia l'albatro che la barca a vela trasferiscono slancio per continuare a muoversi. Ma nel caso della barca a vela, che il trasferimento non avviene tra strati d'aria, ma tra l'aria e l'acqua.

"Le barche a vela prendono slancio dal vento con la loro vela, e iniettarlo in acqua spingendolo indietro con la chiglia, " spiega Bousquet. "Così viene estratta l'energia per le barche a vela".

Bousquet si rese anche conto che la velocità alla quale possono viaggiare sia un albatro che una barca a vela dipende dalla stessa equazione generale, legate al trasferimento di moto. Essenzialmente, sia l'uccello che la barca possono viaggiare più velocemente se possono stare in alto facilmente o interagire con due strati, o medium, di velocità molto diverse.

L'albatro fa bene con il primo, poiché le sue ali forniscono un sollevamento naturale, sebbene voli tra strati d'aria con una differenza relativamente piccola nella velocità del vento. Nel frattempo, la barca a vela eccelle in quest'ultimo, viaggiando tra due mezzi di velocità molto diverse, aria contro acqua, sebbene il suo scafo crei molto attrito e gli impedisca di ottenere molta velocità. Bousquet si chiedeva:e se un veicolo potesse essere progettato per funzionare bene in entrambe le metriche, sposare le qualità ad alta velocità sia dell'albatro che della barca a vela?

"Abbiamo pensato, come potremmo prendere il meglio da entrambi i mondi?" dice Bousquet.

Fuori sull'acqua

Il team ha redatto un progetto per un tale veicolo ibrido, che alla fine somigliava a un aliante autonomo con un'apertura alare di 3 metri, simile a quello di un tipico albatros. Hanno aggiunto un alto, vela triangolare, oltre che snello, chiglia a forma di ala. Hanno quindi eseguito alcuni modelli matematici per prevedere come viaggerebbe un tale progetto.

Secondo i loro calcoli, il veicolo a motore eolico avrebbe bisogno solo di venti relativamente calmi di circa 5 nodi per sfrecciare sulle acque ad una velocità di circa 20 nodi, o 23 miglia orarie.

"Abbiamo scoperto che con vento leggero puoi viaggiare da tre a 10 volte più veloce di una barca a vela tradizionale, e hai bisogno di circa la metà del vento di un albatro, per raggiungere i 20 nodi, " dice Bousquet. "È molto efficiente, e puoi viaggiare molto veloce, anche se non c'è troppo vento."

Il team ha costruito un prototipo del loro design, utilizzando una cellula di aliante progettata da Mark Drela, professore di aeronautica e astronautica al MIT. Al fondo dell'aliante hanno aggiunto una chiglia, insieme a vari strumenti, come GPS, sensori di misura inerziali, strumentazione del pilota automatico, e ultrasuoni, per monitorare l'altezza dell'aliante sopra l'acqua.

"L'obiettivo qui era mostrare che possiamo controllare in modo molto preciso quanto siamo alti sopra l'acqua, e che possiamo far volare il robot sopra l'acqua, poi giù dove la chiglia può andare sott'acqua per generare una forza, e l'aereo può ancora volare, " dice Bousquet.

I ricercatori hanno deciso di testare questa "manovra critica", l'atto di transizione tra il volo in aria e l'abbassamento della chiglia per navigare nell'acqua. Realizzare questa mossa non richiede necessariamente una vela, così Bousquet ei suoi colleghi hanno deciso di non includerne uno per semplificare gli esperimenti preliminari.

Nell'autunno del 2016, il team ha messo alla prova il suo design, lanciando il robot dal MIT Sailing Pavilion sul fiume Charles. Poiché al robot mancava una vela e nessun meccanismo per avviarlo, la squadra lo ha appeso a una canna da pesca attaccata a una baleniera. Con questa configurazione, la barca ha rimorchiato il robot lungo il fiume fino a raggiungere circa 20 miglia orarie, a quel punto il robot autonomamente "è decollato, "cavalcando il vento da solo.

Una volta che volava autonomamente, Bousquet ha usato un telecomando per dare al robot un comando "giù", spingendolo ad abbassarsi abbastanza da immergere la sua chiglia nel fiume. Prossimo, ha aggiustato la direzione della chiglia, e osservò che il robot era in grado di allontanarsi dalla barca come previsto. Quindi diede il comando al robot di tornare su, sollevando la chiglia fuori dall'acqua.

"Volavamo molto vicino alla superficie, e c'era pochissimo margine di errore:tutto doveva essere a posto, " Bousquet dice. "Quindi è stato uno stress molto alto, ma molto emozionante".

Gli esperimenti, lui dice, dimostrare che il dispositivo concettuale del team può viaggiare con successo, alimentato dal vento e dall'acqua. Infine, prevede flotte di tali veicoli in modo autonomo ed efficiente per monitorare grandi distese dell'oceano.

"Immagina di poter volare come un albatro quando c'è molto vento, e poi quando non c'è abbastanza vento, la chiglia ti permette di navigare come una barca a vela, " Bousquet dice. "Questo espande notevolmente i tipi di regioni in cui puoi andare".