Các kỹ sư tại Viện Công nghệ California, hay còn gọi là Caltech, vừa trình làng một nguyên mẫu vừa độc đáo vừa thú vị: một máy bay không người lái lai, có khả năng chuyển đổi giữa chế độ bay thành chế độ lăn.
Đây không phải là lần đầu tiên một phòng thí nghiệm nghiên cứu thiết kế một máy bay không người lái có khả năng vừa bay vừa lăn. Cho đến nay, hầu hết các máy bay loại này đều lựa chọn phương pháp thực hiện chuyển đổi ngay trên mặt đất sau khi hạ cánh. Nhưng cách tiếp cận này có hai nhược điểm: thiết bị buộc phải bất động trong một thời gian và có nguy cơ bị tấn công trong quá trình chuyển đổi.
Do đó, Caltech đã lựa chọn một cách tiếp cận khác. Cỗ máy mới của họ, được gọi là Aerially Transforming Morphbot (hay ATMO), có các cánh quạt lai có thể thay đổi cấu hình giữa chuyến bay, biến thành bánh xe khi tiếp cận bề mặt.
"Mặc dù có vẻ đơn giản khi bạn xem một con chim hạ cánh rồi chạy, nhưng trên thực tế, đây là vấn đề mà ngành hàng không vũ trụ đã phải vật lộn để giải quyết trong hơn 50 năm," Mory Gharib, giám đốc nhóm nghiên cứu đằng sau công trình này, giải thích.
Thật vậy, tất cả các chuyến bay xe cộ chịu tác động của các lực phức tạp gần mặt đất. Máy bay trực thăng là một ví dụ điển hình. Khi hạ cánh, cánh quạt của chúng đẩy một lượng lớn không khí xuống phía dưới. Nhưng không khí này không biến mất ngay lập tức; nó tương tác với bề mặt và “nảy” một phần lên trên. Nếu máy bay cố hạ cánh quá nhanh, nó có thể bị hút vào luồng khí xoáy hình thành bởi luồng không khí phản xạ này, dẫn đến mất lực nâng và gây ra hậu quả thảm khốc.
Với một loại máy bay như ATMO, điều này thậm chí còn khó khăn hơn. Nó không chỉ phải quản lý những tương tác phức tạp này mà còn có bốn động cơ đẩy chuyển động riêng biệt liên tục thay đổi động lực của luồng không khí xung quanh nhau, tạo ra sự nhiễu loạn và mất ổn định đặc biệt phức tạp để quản lý.
"Ngay khi rô-bốt bắt đầu biến đổi, chúng tôi quan sát thấy các khớp nối động khác nhau, tức là các lực khác nhau tương tác với nhau. Hệ thống điều khiển phải có khả năng phản ứng nhanh với tất cả những điều này", Ioannis Mandralis, đồng tác giả của nghiên cứu tóm tắt.
Do đó, để đưa khái niệm của mình vào cuộc sống, các kỹ sư của Caltech buộc phải thực hiện các mô phỏng vật lý chất lưu phức tạp, cả trong thế giới thực và trong môi trường ảo. Những thí nghiệm này cho phép họ mô hình hóa chính xác các tương tác giữa tất cả các yếu tố của hệ thống.
Sau đó, họ có thể tích hợp các tham số này vào cái mà họ gọi là mô hình điều khiển dự đoán. Thuật toán này liên tục dự đoán cách thiết bị sẽ hoạt động dựa trên các đặc điểm của môi trường xung quanh và cấu hình của rô-to tại một thời điểm nhất định.
Ngành công nghiệp vũ trụ cũng có thể hưởng lợi từ các sứ mệnh như Mars 2020. Xin nhắc lại, sứ mệnh sau được xây dựng xung quanh hai phương tiện: xe tự hành Perseverance, đang tìm kiếm dấu hiệu sinh học trong hố Jezero, và Ingenuity, trực thăng sao Hỏa nhỏ bé đáng gờm của NASA. Sự bổ sung của hai đối tác đã mang lại lợi ích to lớn cho nhiệm vụ; người thứ hai đóng vai trò là người dẫn đường và trinh sát cho người thứ nhất, người có khả năng di chuyển bị hạn chế đáng kể do bề mặt sao Hỏa không thể đi qua được. Một loại xe hybrid như thế này có thể tạo nên điều kỳ diệu trong bối cảnh này, vì nó có thể khám phá nhiều điểm khoa học thú vị đồng thời giảm thiểu rủi ro.
Sự sáng tạo đã kết thúc: cùng nhìn lại một câu chuyện sử thi về sao Hỏa
Chúng ta cũng có thể hình dung ra các ứng dụng trong các lĩnh vực như nông nghiệp hoặc giám sát hệ sinh thái. Một thiết bị như vậy có thể thu thập một lượng lớn dữ liệu có giá trị từ trên không, sau đó di chuyển xuống mặt đất để lấy mẫu đất, phân tích động vật hoang dã tại địa phương, v.v. Cuối cùng, một thiết bị như ATMO cũng có thể góp phần vào các hoạt động kiểm tra và bảo trì phức tạp tại các địa điểm như nhà máy lọc dầu, cầu hoặc nhà máy điện hạt nhân.
Do đó, sẽ rất thú vị khi xem liệu nguyên mẫu của Caltech có đưa ra ý tưởng cho các nhà sản xuất khác hay không, sau đó chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của một thế hệ máy bay không người lái lai hấp dẫn mới.
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
Đây không phải là lần đầu tiên một phòng thí nghiệm nghiên cứu thiết kế một máy bay không người lái có khả năng vừa bay vừa lăn. Cho đến nay, hầu hết các máy bay loại này đều lựa chọn phương pháp thực hiện chuyển đổi ngay trên mặt đất sau khi hạ cánh. Nhưng cách tiếp cận này có hai nhược điểm: thiết bị buộc phải bất động trong một thời gian và có nguy cơ bị tấn công trong quá trình chuyển đổi.
Do đó, Caltech đã lựa chọn một cách tiếp cận khác. Cỗ máy mới của họ, được gọi là Aerially Transforming Morphbot (hay ATMO), có các cánh quạt lai có thể thay đổi cấu hình giữa chuyến bay, biến thành bánh xe khi tiếp cận bề mặt.
Một thách thức lớn về kỹ thuật
Đây là một khái niệm khó thực hiện hơn nhiều so với vẻ bề ngoài, đặc biệt là vì các yếu tố khí động học phức tạp phát huy tác dụng trong quá trình biến thái."Mặc dù có vẻ đơn giản khi bạn xem một con chim hạ cánh rồi chạy, nhưng trên thực tế, đây là vấn đề mà ngành hàng không vũ trụ đã phải vật lộn để giải quyết trong hơn 50 năm," Mory Gharib, giám đốc nhóm nghiên cứu đằng sau công trình này, giải thích.
Thật vậy, tất cả các chuyến bay xe cộ chịu tác động của các lực phức tạp gần mặt đất. Máy bay trực thăng là một ví dụ điển hình. Khi hạ cánh, cánh quạt của chúng đẩy một lượng lớn không khí xuống phía dưới. Nhưng không khí này không biến mất ngay lập tức; nó tương tác với bề mặt và “nảy” một phần lên trên. Nếu máy bay cố hạ cánh quá nhanh, nó có thể bị hút vào luồng khí xoáy hình thành bởi luồng không khí phản xạ này, dẫn đến mất lực nâng và gây ra hậu quả thảm khốc.
Với một loại máy bay như ATMO, điều này thậm chí còn khó khăn hơn. Nó không chỉ phải quản lý những tương tác phức tạp này mà còn có bốn động cơ đẩy chuyển động riêng biệt liên tục thay đổi động lực của luồng không khí xung quanh nhau, tạo ra sự nhiễu loạn và mất ổn định đặc biệt phức tạp để quản lý.
"Ngay khi rô-bốt bắt đầu biến đổi, chúng tôi quan sát thấy các khớp nối động khác nhau, tức là các lực khác nhau tương tác với nhau. Hệ thống điều khiển phải có khả năng phản ứng nhanh với tất cả những điều này", Ioannis Mandralis, đồng tác giả của nghiên cứu tóm tắt.
Do đó, để đưa khái niệm của mình vào cuộc sống, các kỹ sư của Caltech buộc phải thực hiện các mô phỏng vật lý chất lưu phức tạp, cả trong thế giới thực và trong môi trường ảo. Những thí nghiệm này cho phép họ mô hình hóa chính xác các tương tác giữa tất cả các yếu tố của hệ thống.
Sau đó, họ có thể tích hợp các tham số này vào cái mà họ gọi là mô hình điều khiển dự đoán. Thuật toán này liên tục dự đoán cách thiết bị sẽ hoạt động dựa trên các đặc điểm của môi trường xung quanh và cấu hình của rô-to tại một thời điểm nhất định.
Tiềm năng thực sự trong một số ngành công nghiệp
Cuối cùng, cải tiến này có thể mở đường cho một thế hệ máy bay không người lái lai cực kỳ linh hoạt mới, có khả năng cung cấp các dịch vụ có giá trị trong nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ, chúng ta đang nghĩ đến các hoạt động cứu hộ; Một cỗ máy loại này có thể dễ dàng di chuyển qua những môi trường rất khắc nghiệt và nguy hiểm để tìm kiếm nạn nhân của thảm họa thiên nhiên.Ngành công nghiệp vũ trụ cũng có thể hưởng lợi từ các sứ mệnh như Mars 2020. Xin nhắc lại, sứ mệnh sau được xây dựng xung quanh hai phương tiện: xe tự hành Perseverance, đang tìm kiếm dấu hiệu sinh học trong hố Jezero, và Ingenuity, trực thăng sao Hỏa nhỏ bé đáng gờm của NASA. Sự bổ sung của hai đối tác đã mang lại lợi ích to lớn cho nhiệm vụ; người thứ hai đóng vai trò là người dẫn đường và trinh sát cho người thứ nhất, người có khả năng di chuyển bị hạn chế đáng kể do bề mặt sao Hỏa không thể đi qua được. Một loại xe hybrid như thế này có thể tạo nên điều kỳ diệu trong bối cảnh này, vì nó có thể khám phá nhiều điểm khoa học thú vị đồng thời giảm thiểu rủi ro.
Sự sáng tạo đã kết thúc: cùng nhìn lại một câu chuyện sử thi về sao Hỏa
Chúng ta cũng có thể hình dung ra các ứng dụng trong các lĩnh vực như nông nghiệp hoặc giám sát hệ sinh thái. Một thiết bị như vậy có thể thu thập một lượng lớn dữ liệu có giá trị từ trên không, sau đó di chuyển xuống mặt đất để lấy mẫu đất, phân tích động vật hoang dã tại địa phương, v.v. Cuối cùng, một thiết bị như ATMO cũng có thể góp phần vào các hoạt động kiểm tra và bảo trì phức tạp tại các địa điểm như nhà máy lọc dầu, cầu hoặc nhà máy điện hạt nhân.
Do đó, sẽ rất thú vị khi xem liệu nguyên mẫu của Caltech có đưa ra ý tưởng cho các nhà sản xuất khác hay không, sau đó chúng ta có thể thấy sự xuất hiện của một thế hệ máy bay không người lái lai hấp dẫn mới.
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
