الروبوتات الجوية ستستفيد من مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

الذكاء الاصطناعي يواصل تقديم الابتكارات عبر صناعات الطيران والروبوتات. التطورات الأخيرة التي تشمل مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي قد تجعل من الممكن إنشاء خيارات أكثر خفة ورشاقة في السنوات القادمة. إليك كل ما تحتاج إلى معرفته.

منذ فجر الزمن، كان الإنسان يتطلع إلى الطبيعة للحصول على فهم أفضل للطيران. ومع ذلك، فإن إنشاء روبوتات ترفرف بأجنحتها للطيران ثبت أنه أكثر تعقيدًا من الطائرات التقليدية ذات الأجنحة. للأسف، ترك هذا الوضع الروبوتات الجوية بدون بعض القدرات الرئيسية التي تمتلكها نظيراتها الطبيعية مثل التحول السريع بين التحليق الثابت والطيران المُحسّن. لحسن الحظ، قد يكون هذا الوضع على وشك التغيير.

الروبوتات الجوية ذات الأجنحة الرفرفة

اليوم، الروبوتات الجوية شائعة عبر قطاعات متعددة، وتأثيرها وقدراتها وتوافرها في تزايد. غالبًا ما يفكر الناس فقط في الطائرات التي تعمل بالمروحة والطائرات ذات الأجنحة عند مناقشة الروبوتات الجوية. ومع ذلك، هناك عدة خيارات أخرى قد لا تحظى بالاهتمام لكنها بالتأكيد تتمتع بفوائد فريدة تجعلها تبرز.

الأجنحة الرفرفة

توفر الأجنحة الرفرفة أفضل ما في العالمين. فهي تمكّن الطيور من اكتساب الرفع العمودي بسرعة والاستقرار للانزلاق لمسافات طويلة. الحشرات ذات الأجنحة يمكنها التحليق وتغيير الاتجاه بسرعة. فكر في كيفية تنقل نحلة البق أو طائر الطنان بسرعة في المنطقة، أو كيف يدور الفراشة حول مصباح الضوء.

حتى الآن، كان هناك بعض التقدم الكبير في تصميم الروبوتات ذات الأجنحة الرفرفة. ومع ذلك، فإن وحدات التحكم في الطيران اللازمة لجعل هذه الطائرات تعمل بشكل موثوق في ظروف متغيرة بدلاً من المختبر ثبت صعوبة إنشائها. ومع ذلك، لا تزال هذه التصاميم تجذب خيال المطورين والمبدعين على حد سواء، حيث عرض فيلم Dune مؤخرًا أورنيثوبتر يعتمد على أجنحة رافرفة تشبه ذبابة الماء.

المصدر – Fandom

دراسة مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

دراسة حديثة، “تصنيف الرياح القائم على التعلم الآلي من خلال تشوه الأجنحة في الروبوتات الرفرفة المستوحاة من الطبيعة: الهياكل المرنة المستوحاة من الطبيعة تحسن استشعار الرياح،”¹ تستمد إلهامها من الطبيعة لتعزيز قدرات الروبوتات ذات الأجنحة الرفرفة. على وجه التحديد، فحص الباحثون عدة مخلوقات لتحديد كيف تمكنهم حواسهم من تحسين أنماط طيرانهم بدقة.

مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي تستلهم من الطبيعة.

لاحظ الفريق أن جميع الطيور والحشرات ذات الأجنحة الرفرفة لديها نوع من الأعضاء الحسية الموجودة في أجنحتها. استنتجوا أن هذا العضو يؤدي مهام مختلفة في الحيوانات المختلفة مما يمكنها من تصحيح خصائص طيرانها لتحسين نتائجها. لاحظ الفريق أن الجراد يمتلك مستقبلات تشوه تقع في عروق أجنحته. بينما العديد من الطيور، مثل الدجاج، لديها حساسات قرب بصيلات ريشها.

حتى هذه الدراسة، كان الفهم محدودًا حول البيانات التي توفرها هذه الحساسات للحيوان. ومع ذلك، استنتج الباحثون أن المعلومات الحسية تسمح للحيوانات باكتشاف الرياح وحركات الجسم والظروف البيئية المتغيرة في الوقت الحقيقي. سعيًا لإعطاء الروبوتات نفس القدرات، انطلق الفريق لإنشاء حساس تشوه مدعوم بالذكاء الاصطناعي يمكنه محاكاة نظيره الطبيعي، مما يمكّن الروبوت من “الإحساس” ببيئته وظروفه وتعديلها وفقًا لذلك.

تصميم الجناح

استلهم الفريق من أحد أكثر المخلوقات طيرانًا رشاقة في الطبيعة، طائر الطنان. انطلقوا لإنشاء أجنحة تحاكي طائر الطنان وتتمتع بهيكل مشابه للعظام الموجودة في الطائر. تتناقص الأعمدة في نهاياتها وتعمل كعروق للجناح، مضيفة طبقة إضافية من الاستقرار إلى هيكل الجناح.

تم طباعة هذه الأجنحة المرنة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعة نمذجة ترسيب مُدمجة ذات فوهتين. سمح هذا النهج للفريق بالطباعة باستخدام بوليستر كوبوليمر بسُمك 12.5 μm مع بولي إيثيلين تيريفثاليت مدعم بألياف الكربون. قدم هذا النهج خصائص جناح طبيعي يمكنه الانحناء والتحرك على مساره.

حركة حرة

على وجه التحديد، يمكن للجناح أن يرفرف بحرية حتى زاوية ±23°. كما يلتف الجناح على طول الحافة الأمامية خلال كل رفرفة. وفرت هذه الحركة طاقة إضافية عن طريق تعظيم قوة الرفع، مشابهة للحشرات. ضبط المهندسون سعة رفرفة الأجنحة إلى 158°، وتم تعديل تردد الرفرفة إلى ≈12 Hz للتجارب.

المصدر – Advanced Intelligent Systems

مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

دمج الفريق مقاييس التشوه داخل هيكل الجناح الشبيه بطائر الطنان. على وجه التحديد، تم لصق سبعة مستقبلات تشوه منخفضة التكلفة ومتاحة تجاريًا بأبعاد قاعدة عرض وطول 1.4 و4.2 mm في مواقع محددة على أجنحة الاختبار. استخدمت هذه الحساسات لقياس ضغط الجناح وتشوهه عبر سبع اتجاهات رياح مختلفة. شملت الاتجاهات المستخدمة 0°، 15°، 30°، 45°، 60°، 75°، و90°.

المحرك

لجعل الأجنحة ترفرف، تم ربط محرك تيار مستمر. استخدم المحرك آلية سكوتش يوكي وتروس تقليل لتوفير حركات رفرفة واقعية. تم ضبط الجهاز على 12 دورة في الثانية، وتم تمرير أسلاك الحساسات عبر موصلات على الأجنحة إلى سجل البيانات. ومن الجدير بالذكر أن المهندسين استخدموا جهاز TEXIO TECHNOLOGY مع مصدر طاقة ثابت الجهد لضمان التوحيد والقابلية للقياس.

نموذج الشبكة العصبية التلافيفية لمستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

كان أحد المكونات الرئيسية للتجربة هو استخدام شبكة عصبية تلافيفية. سمح هذا النموذج للباحثين بتسجيل وتصنيف وتدريب وحدة تحكم الطيران القادرة على إجراء تعديلات فورية باستخدام البيانات المجمعة من حساسات التشوه ومقارنتها بنموذج CNN.

تسمح بيانات استشعار التشوه لخوارزمية التعلم الآلي بتصنيف ظروف الرياح بدقة. كجزء من التدريب، تم الحصول على بيانات الحساس لمحاكاة طيران التحليق داخل نفق الرياح. ومن الجدير بالذكر، تم الحصول على 720 مجموعة بيانات للتشوه والطور لكل حالة رياح. تم تقسيم هذه البيانات إلى رفرفات فردية للجناح.

اختبار مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

بدأ الفريق مرحلة الاختبار بتسجيل بيانات الحساس للأجنحة في ظل عدم وجود رياح. سمح نقص تدفق الهواء للحساسات بالتحقق من الصفر وإجراء مقارنات دقيقة مع تحسين الظروف. كما اختبر الفريق ثلاثة أجنحة مختلفة باستخدام نفس بيانات مقاييس التشوه وقارن النتائج.

اُستخدم مشفر دوار مغناطيسي لالتقاط حالة الجناح بدقة خلال الظروف المختلفة. كان الجهاز موضعًا مباشرةً فوق الأجنحة، مما أتاح دقة قدرها 0.703° خلال مرحلة الرفرفة. ومن المثير للاهتمام، بدأ الفريق العملية بضبط دوران واحد للمشفر ليعادل دورة رفرفة واحدة.

نفق الرياح

كان نفق الرياح جزءًا حيويًا من هذه التجارب. سمح للفريق بمحاكاة طيران التحليق تحت ظروف رياح من الهادئة إلى الشديدة. على وجه التحديد، تم استخدام ثماني ظروف رياح متناوبة في مرحلة الاختبار. كان لكل حالة 3 قياسات تُؤخذ خلال دورة رفرفة واحدة.

نتائج اختبار مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

كانت نتائج الدراسة مثيرة للإعجاب. تمكن الفريق من تحديد ظروف الرياح بدقة 99٪. ومن المدهش أن التحديد استغرق رفرفة واحدة فقط، وفي بعض الحالات، دورة رفرفة قدرها 0.2 فقط وفرت نتائج دقيقة جدًا. بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن الحساسات الأقرب إلى أعمدة الجناح قدمت أسرع النتائج.

أهمية زمن الدورة

كان زمن دورة كل قياس له تأثير كبير على النتائج. لاحظ الفريق أنه عند أقل من 0.2 دورة، انخفضت موثوقية البيانات بشكل حاد. ومع ذلك، عند 0.2 دورة، حققت الحساسات دقة 85٪. يمكن تحسين هذه الدقة أو تقليلها بناءً على عدد الحساسات في الجناح.

هياكل محور الجناح المستوحاة من الطبيعة تحسن نتائج مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

وجد الاختبار أن هيكل محور الجناح يلعب دورًا حيويًا في استرجاع البيانات ودقتها. وبالتالي، يمكن للأجنحة المهيكلة التي تم اختبارها تحديد ظروف الرياح أسرع بكثير من العينة غير المهيكلة. أدت هذه الاكتشافات إلى استنتاج المهندسين أن تحسين بنية الجناح ووضع الحساسات قد يحقق دقة أكبر في المستقبل.

فوائد مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

هناك قائمة طويلة من الفوائد التي تجلبها هذه الدراسة إلى السوق. أولاً، وفرت للمهندسين الروبوتيين قدرة بسيطة لاستشعار تشوه الجناح تعتمد على قطع تجارية جاهزة وميسورة التكلفة. هذه الأجهزة منخفضة التكلفة واستهلاك الطاقة يمكن دمجها بسهولة في الروبوتات الطائرة دون الحاجة إلى أي تغييرات كبيرة.

الرشاقة

الرشاقة التي تحققها نحلات البق تكاد تكون خارقة. هذه الكائنات ذات الأجنحة يمكنها التوقف بسرعة، والتحليق، وتغيير الاتجاه دون جهد كبير. يأمل العلماء في إنشاء طائرات بدون طيار ذات نفس القدرات، مما يتيح مستوى جديدًا من التكامل.

القابلية للتكيف

لا أحد يستطيع أن يخبرك دائمًا بأي اتجاه ستهب الرياح. ومع ذلك، يمكن للمدخلات الحسية للأجنحة المختبرة التعرف مباشرةً على ظروف التدفق دون مساعدة أي أجهزة إضافية. يمكن استخدام هذه البيانات لتحسين الوعي البيئي، وتوفير تحكم أفضل وترميز سريع للمعلومات بناءً على الظروف البيئية.

نهج بسيط

فائدة رئيسية أخرى للأجنحة الرفرفة مقارنةً بتقنيات التحليق الأخرى هي البساطة. تتطلب المركبات العائمة تدفق هواء كبير ولا يمكنها الوصول إلى ارتفاع معين. وعلى العكس، فإن المروحيات معقدة للغاية، حيث تحتاج إلى آلاف الأجزاء المتحركة لتُضبط بدقة لتحقيق حالة التحليق. قد تجعل هذه الدراسة الأخيرة من الممكن طباعة أجنحة المركبات ثلاثية الأبعاد القادرة على التحليق المستقر وتغييرات الاتجاه السريعة دون الحاجة إلى الكثير من الأجزاء المتحركة والمعقدة.

حالات استخدام مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

هناك عدة حالات استخدام للروبوتات ذات الأجنحة الرفرفة. يمكن لهذه الأجهزة المساعدة في الوصول إلى مواقع يصعب العثور عليها أو توفير مسح سلس للكوارث الطبيعية أو مناطق الحروب. تعاني الروبوتات الجوية الصغيرة حاليًا من قيود شديدة في الوزن والحجم. يمكن لاستخدام الأجنحة الرفرفة تحسين حمولة هذه الروبوتات من خلال تقليل الوزن المطلوب لأجهزة الطيران.

الباحثون في مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

قدمت هذه الدراسة باحثون من معهد العلوم بطوكيو. قاد التقرير الأستاذ المشارك هيروتو تانكا وشمل عملًا من هيروتو تانكا. بالإضافة إلى ذلك، ساهم تومويا فوجي في تصميم الجناح. ومن الجدير بالذكر أن الباحثين تلقوا دعمًا من منحة JSPS KAKENHI للبحث العلمي في المجالات المبتكرة “علم الروبوتات الناعمة” تحت رقم المنحة JP18H05468.

الشركات التي قد تستفيد من مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

القدرة على تحديد ظروف الرياح بدقة وسرعة هي خيار يمكن للعديد من الشركات الاستفادة منه لتحسين منتجاتها. يفتح استخدام هذه الحساسات على الروبوتات ذات الأجنحة الرفرفة الباب أمام صانعي الطائرات بدون طيار لتوسيع هذه التقنية لإنشاء خيارات أكثر رشاقة وتفردًا. إليكم شركة واحدة يمكنها إنجاز المهمة في الأشهر القادمة.

Kratos Defense & Security Solutions Inc

دخلت شركة Kratos Defense & Security Solutions Inc (KTOS ) السوق في عام 1994 كمزود للبنية التحتية للاتصالات قبل أن تحول مهمتها وأهدافها إلى تصنيع الطائرات بدون طيار. تتخذ الشركة مقرها في سان دييغو، كاليفورنيا.

في عام 2004، بدأت شركة Kratos Defense & Security Solutions Inc. في إجراء عمليات استحواذ عالية المستوى عبر السوق. وفرت هذه الاستحواذات للشركة الوصول إلى تقنيات متقدمة وأدت إلى تحويل اسم الشركة وتركيزها العام نحو تقنيات الدفاع العسكري.

اليوم، تُعَرف شركة Kratos كواحدة من الرواد في توفير الطائرات العسكرية بدون طيار والبرمجيات. شهد سهم الشركة، KTOS، نموًا مستقرًا على مدار العام بسبب عوامل متعددة بما في ذلك الابتكار المستمر في منتجاتها إلى جانب الطلب المتزايد على طائرات الحرب الآلية والمدعومة بالذكاء الاصطناعي.

العلاقات العميقة لشركة Kratos Defense & Security Solutions Inc. مع المستثمرين المؤسسين والحكومات، وسجلها المثبت يجعلها الشركة المثالية لتكامل هذه التقنية في الأشهر القادمة.

مستقبل مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي

يعتقد المهندسون وراء دراسة حساسات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي أن هناك الكثير من العمل المتبقي لضمان وصول هذه التقنية إلى أقصى إمكاناتها. حاليًا، لا يزال قطاع الطائرات بدون طيار ذات الأجنحة سوقًا ناشئًا.

ومع ذلك، مع ظهور مزايا الطيران بالأجنحة، مثل التحليق المستقر وتغييرات الاتجاه السريعة، تُنشئ فرصًا فريدة، ويمكنك توقع زيادة الطلب على هذه الروبوتات. بناءً على ذلك، يعتزم الفريق إجراء دراسات إضافية على ظروف رياح أكثر تعقيدًا وتوليفات مختلفة لمواقع استشعار التشوه بهدف تحسين تصميمهم.

مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي – جعل الأجنحة ذكية

إن إدخال مستقبلات التشوه المدعومة بالذكاء الاصطناعي الموثوقة والميسورة التكلفة في الروبوتات ذات الأجنحة من المؤكد أنه سيعزز الأداء بشكل عام. تقرب هذه الدراسة الصناعة خطوة واحدة نحو محاكاة الطبيعة وكشف الألغاز القديمة المتعلقة بالطيران. في الأشهر القادمة، قد تؤدي هذه الدراسة إلى إنشاء العديد من الطائرات ذات الأجنحة الرفرفة الجديدة والقادرة.

تعرف على مشاريع روبوتية أخرى رائعة هنا.

دراسة مرجعية:

^{1. Kubota, K., & Tanaka, H. (2024). Machine learning-based wind classification by wing deformation in biomimetic flapping robots: Biomimetic flexible structures improve wind sensing. Advanced Intelligent Systems, 6(11), 2400473. https://doi.org/10.1002/aisy.202400473}