Cornell Üniversitesi'ndeki bir araştırma ekibi, kuşların ve böceklerin istikrarlı uçuşu üzerindeki karmaşık fiziksel etkilerin haritasını çıkaran bir bilgisayar modeli geliştirdi. Model, biyolojik muadilleriyle benzer şekilde istikrarlı uçuş özelliklerine sahip, kanat çırpan robotlar oluşturmak için kullanılabilir. Ayrıca kanat çırpan kuşların ve böceklerin evrimi de izlenebiliyor ve araştırılabiliyor.
Reklamdan sonra devamını okuyun
Kanat çırparak istikrarlı bir şekilde uçabilen kuş veya böcek benzeri robotlar yapmak önemsiz değildir. Zorluk kuşların ve böceklerin morfolojisinde yatmaktadır. Araştırmacıların, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dergisinde yayınlanan “Morfolojik uzayda stabil kanat çırpma uçuşu: Model, simülasyon ve açık stabilite kriterleri” adlı çalışmada yazdığı gibi, vücut yapısı, uçuşta stabilizasyonda çok önemli bir rol oynuyor.
Fizik ve makine mühendisliği profesörü ve çalışmanın baş yazarı Zheng Jane Wang, meyve sineklerinin sinir devrelerinin yaklaşık on yıl önce uçuş stabilitelerini iyileştirmek için nasıl geliştiğini zaten araştırmıştı. Wang ve araştırma ekibi, 3 boyutlu bir bilgisayar simülasyonu kullanarak meyve sineklerinin, yaklaşık her 4 ms'de bir gerçekleşen her kanat atışında uzaydaki vücut pozisyonlarını algılayabildiklerini ve böylece kendilerini stabilize edebildiklerini keşfetti.
Ancak bu bulgu tüm böceklere aktarılamaz. Buna göre çok sayıda farklı böceğin uçuşunu tasvir edebilecek bir simülasyonun geliştirilmesi gerekmektedir. Konuyla ilgili diğer bilimsel çalışmalar da bireysel gerçek böceklerin modelleriyle sınırlıdır. Wang, bunun, araştırmanın diğer tüm olası uçuş kombinasyonlarını gözden kaçırdığı anlamına geldiğini açıklıyor.
“Beş boyutlu morfolojik ve kinematik uzayda” hesaplamalar
Cornell Üniversitesi ekibi bu nedenle son araştırmalarına farklı bir yaklaşım benimsedi. Bilim adamları 3 boyutlu modeli küçülterek gövde-kanat bağlantısının ve kararsız aerodinamiklerin (basınç ve kuvvetlerin sabit olmadığı zamana bağlı hava akışları) temel fiziksel prensiplerini korudular. Araştırmacılar yeni modelden önemli fiziksel parametreleri elde edebilecekleri denklemler belirlediler: kanadın vücut kütlesine oranı, kanat yükü, kanat ekleminin konumu, ayrıca kanat vuruş frekansı ve kanat hareketinin genliği. Bilim insanları buna “beş boyutlu morfolojik ve kinematik uzay” adını veriyor.
Wang, “Bu modelin gücü, bize eskisinden çok daha kesin bilgiler sağlamasıdır” diyor. “Temel fiziksel prensipleri biliyorduk. Yeni modelde temel fiziksel ilişkileri temsil ederek, her bir öğeyi kavramsal olarak anlayabiliyor ve aynı zamanda geniş bir parametre uzayını keşfetmek için hesaplamalar yapabiliyoruz.”
Reklamdan sonra devamını okuyun
“Beş boyutlu” uzayda yapılan hesaplamaların sonuçlarının analizi, kanat ataleti ile gövde arasındaki sıklıkla ihmal edilen bağlantı için kriterler üreten iki açık formülle sonuçlandı. Bu esas olarak kanat vuruş frekansı, eklem konumu ve kanadın vücut kütlesine oranının etkileşimini içerir. Her şey doğru oranda birlikte çalıştığında, bir tür anti-rezonans durumu elde edilir, bu da kuşun veya böceğin pasif, istikrarlı bir uçuş elde etmek için vücut titreşimlerini kontrol etmesine olanak tanır. Pasif stabil uçuş, normalde kuşun veya böceğin dönmesine neden olacak hava bozukluklarına rağmen stabil uçuş anlamına gelir.
Bilim adamları, birçok farklı kanat çırpma biçiminin pasif stabilite sergileyebileceğini fark etti. Önceki araştırmalar çoğu böceğin pasif olarak kararsız olduğunu ve bu nedenle uçuşlarını kontrol etmek için sinir devrelerini kullandığını göstermişti.
Çırpınan robotların yapımında yardım
Stabilite sınırı bilgisine sahip olan araştırmacılar artık robot kanatlarının stabil bir şekilde çırpılması için somut bir tasarım ilkesi elde edebilirler.
Wang, “Prensip olarak bu, kanatları çırpan bir robotun geliştirilmesinde tamamen yeni bir yol açıyor” diyor. “Sonuçlarımız, yalnızca kısmen başarılı olan kapsamlı geri bildirim kontrolüne güvenmek yerine, kanat çırpma organlarının şeklini ve sıklığını, uçağın bu iki kurala göre zaten pasif olarak stabil olmasını sağlayacak şekilde ayarlayabileceğimizi gösteriyor. Bu, uçuş kontrolünü önemli ölçüde basitleştirecektir.”
Araştırmacıların geliştirdiği model artık kanat çırpan robot tasarımında daha basit hesaplamalar yapmak için kullanılabilecek. Ayrıca kanatlı hayvanların ve böceklerin evrimini anlamayı ve araştırmayı mümkün kılan stabilite özelliklerini modellemek için de kullanılabilir.
Wang, “Evrim sürecinde çeşitli özellikler seçilir, ancak göz gibi birkaç örnek dışında bırakın neden seçildiklerini ve nasıl geliştiklerini, onlar hakkında çok az şey biliyoruz” diyor. “Bu proje, biyoloji ve robot bilimindeki bu merkezi soruları araştırmak için yeni niceliksel yöntemler sağlıyor. Matematiksel modelleme, önceki fikirlerimizin ve varsayımlarımızın ötesine geçmemize ve bu önemli soruları yanıtlamamıza olanak tanıyor.”
(olb)
Bir yanıt yazın