เจาะลึก หุ่นยนต์ที่บินเหมือนนก จาก MIT บินบนฟ้าและดำน้ำได้โดยใช้ปีกคู่เดียว สลับโหมดไวใน 1 วินาทีด้วยกลไกสุดทึ่ง
ทีมนักวิจัยจาก MIT สามารถสร้างหุ่นยนต์ขนาดเล็ก ที่สามารถบินบนฟ้าและว่ายน้ำได้โดยใช้ ปีกคู่เดียวกันสำเร็จ ที่สำคัญคือ มันสลับโหมดไปมาได้ทันที โดยไม่ต้องติดตั้งอุปกรณ์เสริมให้หนักเครื่อง
ผลงานนี้มาจากห้องปฏิบัติการของ Raphael Zufferey วิศวกรเครื่องกล ที่พยายามถอดรหัสกลไกที่ธรรมชาติสร้างไว้แล้ว
โดยในธรรมชาติ นกทะเลประเภทดำน้ำอย่าง นกพัฟฟิน จะใช้ปีกคู่เดิมทั้งบินและว่ายน้ำ ทั้งๆ ที่อากาศและน้ำมีแรงต้าน และพฤติกรรมที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง แล้วพวกเขาถอดรหัสได้ยังไง ?
1.ถอดรหัสเรื่อง แรงต้าน พวกเขาเปลี่ยนข้อต่อนก เป็นความยืดหยุ่นของวัสดุ
โดยสิ่งที่นกทำคือ พวกมัน ใช้กล้ามเนื้อควบคุมการพับและกางปีกอย่างละเอียดเพื่อสู้กับแรงดันน้ำ
หุ่นยนต์ที่บินเหมือนนก นี้ แก้โจทย์โดย การตัดมอเตอร์ตรงส่วนข้อต่อทิ้งทั้งหมด เหลือไว้เพียงมอเตอร์ไว้แค่ตัวเดียวตรงกลาง ที่ทำหน้าที่ขยับปีก ขึ้น-ลง แบบทื่อๆ แล้วหันไปพึ่ง วัสดุศาสตร์แทน
พวกเขาใช้ผ้าไนลอนเสริมโครงคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีค่าความยืดหยุ่นจำเพาะ โดยเมื่ออยู่ในอากาศ แรงต้านต่ำ ปีกจะคงรูปตรงและแข็งแรงพอที่จะโบกสร้างแรงยก
เมื่อลงน้ำ แรงต้านมหาศาลของน้ำจะ กดให้ปีกงอและลู่ลงโดยอัตโนมัติ (คล้ายการพับปีกของนก) โดยไม่ต้องใช้มอเตอร์สั่งการเลย พอปีกสั้นลง แรงต้านก็ลดลง ทำให้มันกระพือปีกใต้น้ำได้ สิ่งนี้เรียกว่า Passive Morphing (การเปลี่ยนรูปตามแรงกระทำ) โดยอาศัยฟิสิกส์ล้วนๆ
2.ถอดรหัสเรื่อง ความถี่ โดยใช้พลศาสตร์ของไหล
ทีมวิจัยต้องคำนวณว่า ต้องใช้ความเร็วในการกระพือปีกเท่าไหร่ จึงจะชนะแรงหนืดของน้ำและแรงตึงผิวเพื่อพุ่งขึ้นสู่อากาศได้ พวกเขาพบสูตรสำเร็จในการสลับโหมดพลังงาน คือ
– โหมดบินปกติ กระพือปีก 5–6 ครั้งต่อวินาที ก็เพียงพอสำหรับนำน้ำหนักตัว 2.2 ขีดลอยตัวในอากาศได้
– โหมดพุ่งออกจากน้ำ นี่คือจุดที่ยากที่สุด หุ่นยนต์ต้องเร่งมอเตอร์ขึ้นเกือบเท่าตัวเป็น 10 ครั้งต่อวินาที เพื่อระเบิดพลังมหาศาลเอาชนะแรงฉุดของน้ำและแรงตึงผิวผิวน้ำในพริบตาเดียว ก่อนจะลดความเร็วกลับมาเท่าเดิมเมื่อตัวลอยพ้นน้ำแล้ว
โครงสร้างแบบเปิด น้ำเข้าได้ แต่ไม่พัง
นอกจากเรื่องการเลียนแบบนกแล้ว การดีไซน์ตัวเครื่องก็โครตเจ๋ง โครงสร้างตรงกลางถูกปล่อยโล่งให้เห็นชิ้นส่วนภายใน แทนที่จะซีลกล่องปิดตายเพื่อกันน้ำเข้า ทีมงานใช้วิธี เคลือบกันน้ำแยกทีละชิ้นส่วน แทน
ดังนั้น น้ำจะไหลเข้าท่วมระบบได้เลย วิธีนี้ช่วยให้หุ่นยนต์เบาพอที่จะบิน และเมื่ออยู่ใต้น้ำ มันจะมีสภาวะลอยตัวที่เป็นกลาง คือไม่ลอยขึ้นและไม่จมดิ่ง ทำให้ควบคุมทิศทางใต้น้ำได้นิ่งมาก
จากการทดสอบ หุ่นยนต์สามารถเปลี่ยนโหมดจากน้ำขึ้นสู่ฟ้าได้ในเวลา ไม่ถึง 1 วินาที คลิปวิดีโอที่ถ่ายทำที่ทะเลสาบเจนีวา แสดงให้เห็นผิวน้ำพลิ้วไหวเพียงเล็กน้อย ก่อนที่หุ่นยนต์จะพุ่งทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าทันที
ที่มา
