PIV-Based Study on the Aerodynamic Interaction Mechanism of Dragonfly-like Tandem Flapping Wings with Phase Difference

في عالم الآلات الطائرة الصغيرة، يتطلع المهندسون غالباً إلى الطبيعة لاستلهام التصميمات الأكثر كفاءة. وأحد أنجح الطائرين في المملكة الحيوانية هو اليعسوب، وهو مخلوق أتقن فن الطيران منذ ملايين السنين. وخلافاً للطيور أو الخفافيش، التي تمتلك زوجاً واحداً من الأجنحة، يمتلك اليعسوب زوجين: مجموعة أمامية ومجموعة خلفية. وهذه الأجنحة لا تكتفي بمجرد الخفق للأعلى والأسفل؛ بل يمكنها التحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض، مما يسمح للحشرة بالتحليق في مكانها، والاندفاع، والدوران بدقة مذهلة. ويكمن سر هذه الرشاقة في كيفية ارتباط توقيت الجناحين الأمامي والخلفي ببعضهما البعض. فعندما يتحرك الجناحان في تناغم تام، أو عندما يتحركان في اتجاهين متعاكسين، تتغير طريقة تدفق الهواء حولهما بطرق معقدة. إن فهم كيفية تأثير هذا التوقيت بدقة على القوى التي تبقي الحشرة محلقة يمثل هدفاً رئيسياً للعلماء الذين يصممون روبوتاتهم الطائرة الصغيرة الخاصة. وإذا استطاع المهندسون محاكاة هذه الحيل الطبيعية، فقد يتمكنون من بناء طائرات بدون طيار قادرة على التنقل في المساحات الضيقة، أو تنفيذ مهام الإنقاذ، أو مراقبة البيئات الحساسة بمستوى من القدرة على المناورة تعجز التكنولوجيا الحالية عن مضاهاته.

ولكشف أسرار هذه البراعة الجوية، وضع فريق من الباحثين في جامعة بهيانغ في الصين هدفاً يتمثل في قياس مدى تغير الرفع الذي تولده الأجنحة بناءً على توقيت ما بين الجناحين بدقة. لقد صنعوا نموذجاً واسع النطاق لأجنحة اليعسوب، بمقياس رسم أكبر بخمس مرات من حجم الحشرة الحقيقية، ووضعوه في حوض من الماء. وقد سمح لهم استخدام الماء بدلاً من الهواء بإبطاء الحركة بشكل كبير مع الحفاظ على فيزياء التدفق مطابقة لما يحدث في الهواء. هذه التقنية، المعروفة باسم القياس الديناميكي، تعني أنه بإمكانهم مراقبة الدوامات والتيارات غير المرئية للسائل باستخدام كاميرات عالية السرعة. قام الباحثون بتثبيت الأجنحة النموذجية بنظام ميكانيكي متطور يمكنه جعلها تخفق للأعلى وللأسفل مع التحكم بدقة في دوران كل جناح. والأهم من ذلك، كان بإمكانهم ضبط فرق الطور، وهو ببساطة التأخير الزمني بين حركة الجناح الأمامي وحركة الجناح الخلفي. ومن خلال تغيير هذا التأخير من صفر درجة، حيث يتحرك الجناحان معاً، إلى مئة وثمانين درجة، حيث يتحركان في اتجاهين متعاكسين، تمكنوا من اختبار كل تركيبات التوقيت الممكنة.

واجه الفريق تحدياً كبيراً في تجربتهم: قياس التدفق غير المرئي للماء حول جناحين متحركين. فعندما حاولوا تسليط ورقة ليزر عبر الماء لإضاءة الجسيمات الصغيرة وتتبع التدفق، كانت الأجنحة نفسها غالباً ما تحجب الضوء أو تشوه الرؤية، مما يخلق فجوات في البيانات. ولحل هذه المشكلة، طور الباحثون استراتيجية ذكية. فقد قاموا أولاً بقياس إجمالي قوة الرفع المتولدة من الأجنحة عبر جميع تركيبات التوقيت باستخدام مستشعرات حساسة. وبمجرد تحديد اللحظات المحددة التي كان فيها الرفع في أعلى مستوياته وأدنى مستوياته، استخدموا تلك المعلومات لتوجيه إعدادات الكاميرا والليزر. وبدلاً من محاولة التقاط مجال التدفق بالكامل في وقت واحد، ركزوا كاميراتهم على لحظات محددة وواضحة وأجزاء معينة من الأجنحة حيث لا تكون الرؤية محجوبة. وقد سمح لهم ذلك بتجميع صورة موثوقة لحركة الماء دون تداخل من الأجنحة المتحركة.

كشفت نتائج قياساتهم عن نمط واضح في كيفية تفاعل الأجنحة. فعندما يخفق الجناحان الأمامي والخلفي في انسجام شبه تام، يكون إجمالي الرفع المتولد من الزوج في أقوى حالاته. في هذا الوضع المتزامن، يتحرك كلا الجناحين للأسفل في نفس الوقت، مما يدفع الماء للأسفل معاً. هذا الإجراء المشترك يخلق تياراً هابطاً قوياً، أو تدفقاً مستحثاً، مما يجعل من الأسهل على الأجنحة توليد الرفع. ووجد الباحثون أن الجناح الخلفي حساس بشكل خاص لهذا التوقيت؛ إذ تنخفض قدرته على توليد الرفع بشكل كبير عندما تكون الأجنحة غير متزامنة. وعلى العكس من ذلك، عندما يتحرك الجناحان في اتجاهات متعاكسة — أحدهما ينزل والآخر يصعد — يصل إجمالي الرفع إلى أدنى نقطة له. في هذا السيناريو، يتم إلغاء الدفع لأسفل الناتج عن أحد الأجنحة جزئياً بفعل السحب للأعلى الناتج عن الآخر. ويصبح تدفق الماء بين الأجنحة فوضوياً وأقل فعالية، مما يضعف القوة الإجمالية.

ومن خلال النظر عن كثب في مجالات التدفق التي التقطتها فيديوهاتهم عالية السرعة، استطاع الباحثون رؤية سبب حدوث ذلك بالضبط. فعندما يتحرك الجناحان معاً، يتم دفع الدوامات المائية التي تتشكل طبيعياً خلف الجناح الأمامي وأمام الجناح الخلفي نحو الأسفل معاً. هذا العمل المشترك يقوي التدفق الهابط، مما يعزز الرفع. ومع ذلك، عندما يتحرك الجناحان في اتجاهات متعاكسة، فإن الحركة الصاعدة لأحدهما تتداخل مع الحركة الهابطة للآخر. فتتعرض الدوامات التي تساعد عادة في توليد الرفع للاضطراب أو تُدفع بعيداً عن أسطح الأجنحة، مما يقلل من فعاليتها. وقد أكدت الدراسة أن الآلية الأساسية وراء هذه التغييرات هي تأثير التدفق المستحث: فحركة أحد الأجنحة تغير مباشرة سرة واتجاه الهواء (أو الماء) حول الجناح الآخر.

توفر هذه النتائج تفسيراً ملموساً لكيفية تحكم اليعسوب في طيرانه. إذ يمكن للحشرة اختيار خفق أجنحتها في تزامن عندما تحتاج إلى أقصى قدر من الرفع، كما هو الحال أثناء الإقلاع أو التسارع السريع، والتحول إلى إيقاع غير متزامن عندما تحتاج إلى توفير الطاقة أو تثبيت موقعها. وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون روبوتات ذات أجنحة خفاقة، يوفر هذا البحث دليلاً عملياً. فمن أجل تعظيم الرفع، يجب إبقاء توقيت الأجنحة متقارباً جداً. ولتقليل الرفع أو تغيير الاتجاه بسرعة، يمكن تغيير التوقيت. لا تدعي الدراسة أنها حلت جميع أسرار طيران الحشرات، لكنها تقدم دليلاً تجريبياً مباشراً على كيفية تحديد التوقيت بين الجناحين للقوى التي ينتجانها. ومن خلال فهم هذه العلاقة البسيطة والقوية في آن واحد، قد تتمكن الأجيال القادمة من الطائرات بدون طيار المستوحاة حيوياً من الطيران بنفس الرشاقة والكفاءة التي تطير بها اليعاسيبب التي ألهمتها.