Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

لطالما أتقنت الطبيعة فن التنقل بين العوالم. فالأسماك لا تكتفي بالسباحة فحسب، بل تقفز. ولكي تهرب من مفترس، أو تتخطى شلالاً، أو تقتنص فريسة من الهواء، يجب على السمكة أن ترفع مقدمة رأسها للأعلى، وتتسارع بدفعة قوية ومفاجئة، وتحافظ على تلك الزاوية الحادة حتى تخترق سطح الماء. تتطلب هذه المناورة توازناً دقيقاً للقوى: القدرة على توليد دفع هائل في لحظة، والدقة في التحكم بزاويتها أثناء مغادرة الماء، والاستقرار للحفاظ على مسارها مستقيماً ضد الاضطرابات الفوضوية للسطح. لعقود من الزمن، بنى المهندسون روبوتات تحت مائية يمكنها السباحة بسرعة مبهرة أو محاكاة التماوج الانسيابي للسمكة، لكن القليل منها نجح في إعادة إنتاج هذا الفعل المحدد المتمثل في مغادرة الماء. معظم الآلات تحت المائية مصممة للبقاء مغمورة، وتلك التي تحاول القفز غالباً ما تفتقر إلى التحكم للقيام بذلك بشكل موثوق، فتتخبط خارج المسار أو تفشل في تجاوز السطح تماماً.

قام فريق من الباحثين في جامعة كولورادو بولدر الآن ببناء روبوت صغير يحل هذه المشكلة، حيث ابتكروا آلة قادرة على السباحة تحت الماء، والقفز في الهواء، والهبوط مجدداً في الماء بنفس الانسيابية التي تمتلكها السمكة. الجهاز بحجم كف اليد، حيث يبلغ طوله 65 ملم ويزن 34 جراماً فقط، ومع ذلك فهو يؤدي سلسلة معقدة من الإجراءات التي تدفع حدود ما يمكن للروبوتات الصغيرة تحت المائية القيام به. ومن خلال تكديس مروحتي دفع (بروبيلر) رأسياً وإضافة دفة ذيل، أنشأ الفريق منصة لا يمكنها السباحة بسرعات تصل إلى 13.9 ضعف طول جسمها في الثانية فحسب، بل يمكنها أيضاً رفع مقدمة رأسها إلى وضع عمودي في أقل من ثانية. وعندما تنطلق، تتخطى عائقاً بارتفاع 1.6 ضعف طول جسمها، وتقطع مسافة 3.7 ضعف طول جسمها أفقياً قبل أن تسقط في الماء مجدداً. وفي مجرى مائي طبيعي ذي مياه جارية، تمكن الروبوت من القفز لارتفاع أعلى، حيث وصل إلى 2.8 ضعف طول جسمه فوق السطح، مما أثبت أن تصميمه يعمل حتى في الظروف الحقيقية الفوضوية وغير المتوقعة.

يكمن سر نجاح هذا الروبوت في كيفية محاكاته لفيزياء السمكة دون نسخ شكلها بدقة. فبدلاً من استخدام ذيل يرفرف، وهو أمر يصعب التحكم فيه لتوليد دفعات مفاجئة من السرعة، اختار الباحثون المراوح. فقد قاموا بتركيب محركين صغيرين عاليي السرعة فوق بعضهما البعض داخل جسم مقاوم للماء ومطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد. ومن خلال تدوير المروحة العلوية بسرعة أكبر من السفلية، أو العكس، يمكن للروبوت إمالة مقدمته للأعلى أو للأسفل بدقة كبيرة. يعمل هذا الدفع التفاضلي مثل الرافعة، مما يسمح للروبوت بتغيير زاويته بسرعة. وللحفاظ على عدم دوران الروبوت جانبياً أثناء حركته، أضافوا دفة ذيل صغيرة بين المروحيتين. تعمل هذه الدفة مثل دفة القارب، حيث توجه الروبوت يساراً أو يميناً لإبقائه على مسار مستقيم. أما الجسم نفسه فقد صُمم على شكل جناح انسيابي (airfoil)، وهو تصميم مستعار من علوم الطيران يسمح للماء بالتدفق بسلاسة فوق سطحه. وقد أظهرت المحاكاة الحاسوبية أن هذا الشكل يقلل من قوة السحب بمقدار خمس مرات مقارنة بصندوق بسيط من نفس الحجم، مما يسمح للروبوت بالتحرك بشكل أسرع واستهلاك طاقة أقل.

اختبر الباحثون الروبوت أولاً في خزان مائي مختبري، حيث تمكنوا من قياس كل حركة باستخدام كاميرات وحساسات عالية السرعة. وقاموا ببرمجة الروبوت لاتباع سلسلة من الأوامر: السباحة في خط مستقيم، رفع مقدمة الرأس إلى زاوية محددة، التسارع نحو السطح، ثم القفز. يتحقق الكمبيوتر الموجود على متن الروبوت باستمرار من اتجاهه باستخدام مستشعر يقيس الدوران والجاذبية، ويقوم بتعديل سرعة المروحتين مئات المرات في الثانية للبقاء على المسار. وفي هذه الاختبارات، استطاع الروبوت الحفاظ على زاوية ميل ثابتة حتى عندما قام الباحثون بالنقر عليه لمحاكاة حدوث اضطراب، حيث صحح وضعيته في غضون ثانية واحدة. وعندما يكون الروبوت جاهزاً للقفز، يقوم برفع مقدمة رأسه إلى زاوية 65 درجة، ويتسارع، ويندفع عبر الماء. وبدون الدفة، كان الروبوت غالباً ما يلتوي جانبياً أثناء مغادرته للماء، مما يجعله يفقد اتجاهه. ولكن مع تشغيل الدفة، ظل في محاذاة مثالية، منطلقاً للأعلى وللأمام مباشرة.

ثم نقل الفريق الروبوت من المختبر إلى "بولدر كريك"، وهو مجرى مائي طبيعي ذو مياه متحركة واضطرابات. وهنا، كان التحدي أكبر بكثير؛ إذ حاولت المياه الجارية دفع الروبوت بعيداً عن مساره، وكان السطح مضطرباً. ورغم هذه الظروف، نجح الروبوت في تنفيذ القفزة. فقد سبح عكس التيار، ورفع مقدمته، وأطلق نفسه خارج الماء، ليصل إلى ارتفاع 2.8 ضعف طول جسمه. وعندما تم إيقاف تشغيل الدفة خلال هذه الاختبارات الخارجية، فشل الروبوت في الحفاظ على مساره، حيث انحرف جانبياً بشكل عشوائي وهبط بعيداً عن هدفه المنشود. وقد أكد ذلك أن الدفة كانت ضرورية للاستقرار، ليس فقط في هدوء الخزان، بل في البيئة الديناميكية لنهر حقيقي. إن قدرة الروبوت على أداء هذه السلسلة الكاملة — السباحة، والرفع، والقفز، والعودة — تُظهر مستوى جديداً من الرشاقة للآلات الصغيرة تحت المائية.

يشير هذا العمل إلى أنه قد يُمكن قريباً استخدام الروبوتات الصغيرة لفحص المناطق التي يصعب الوصول إليها حالياً. فالعديد من الأنظمة تحت المائية، مثل الأنابيب والسدود والمنشآت المغمورة، تحتوي على عوائق مثل الهدارات أو الفجوات الجافة بين الأحواض التي تمنع الروبوت من التحرك للأمام. والآلة التي يمكنها السباحة تحت الماء ثم القفز فوق هذه العوائق يمكنها التنقل عبر بيئات معقدة، وفحص البنية التحتية أو مراقبة جودة المياه في أماكن كان من المستحيل الذهاب إليها سابقاً. ويشير الباحثون إلى أن نموذجهم الحالي لا يزال متصلاً بمصدر طاقة عبر كابل رفيع، لكن المبادئ التي أثبتوها توفر مخططاً لإصدارات مستقبلية مستقلة. ومن خلال تحسين حجم البطارية وتصميم المراوح، يمكن لنسخة ذاتية القيادة بالكامل أن تقفز يوماً ما من حوض إلى آخر، مستكشفةً الزوايا الخفية للجداول والأنظمة الصناعية بنفس السهولة التي تفعلها الأسماك التي استلهمت منها التصميم.