נחיתה רכה

גארי המתין בסבלנות להוראה מדיאנה צ’ין. כשזו ניתנה, הוא פרש כנפיים, עף מרחק של פחות ממטר אחד ונחת בבטחה על מוט העץ שהמתין לו. גארי כפי שהבנתם הוא ציפור, תוכי בגוון תכלת בהיר שמשתתף בניסוי פורץ דרך באוניברסיטת סטנפורד – Stanford  בארצות הברית. דיאנה היא המאמנת שלו וחוקרת במעבדת הניסויים בפקולטה להנדסה מכנית. הניסוי הזה שכלל מעקב ותיעוד בעזרת חמש מצלמות מיוחדות, בחן את האופן שבו ציפור נוחתת על משטח חלק מאד, מכוסה טפלון. גארי עשה זאת ללא בעיה.

“מטרת המחקר הוא לבחון את האופן המוטורי והפיסיקלי שבו ציפורים נוחתות על משטחים שונים”, מספרת צ’ין. “הכוונה היא לפרק את התהליך הזה לגורמים ולבנות מעין מודל שיכול לשמש אותנו אחר כך לפיתוח יכולות נחיתה של מערכות רובוטיות מוטסות. כיום המערכות הללו נזקקות למשטחים ישרים. אנחנו רוצים להגיע למצב שבו ניתן יהיה לנחות בכל מקום על כל משטח”.

במהלך המחקר התברר שרוב הציפורים יכולות לנחות על כל סוגי המשטחים, כאשר הן מבצעות התאמות פיסיולוגיות בהתאם. גארי הוא אחד משלוש ציפורים שמשתתפות בניסוי. בכל פעם נבחנה ציפור אחרת בנחיתה על משטח שונה. המצלמות המיוחדות (מצלמות במהירות גבוהה) מתעדות את תנועות הגוף של כל אחת מהציפורים ואחר כך בעזרת הילוך איטי ברזולוציה גבוהה – HD, מנותחות תנועות המפרקים, שרירים, כנף, מהירות נחיתה וכד’. בין המשטחים השונים שנבחנו היו: נייר זכוכית, משטח מכוסה קצף, משוח מצופה טפלון ומוטות מעוגלים צרים ורחבים שדימו סוגי ענפים שונים.

תמונות ותמונת כותרת:מחקר נחיתת הציפורים באוניברסיטת Stanford
צילום: Stanford University

“זה ברור שכאשר אנחנו מביטים באדם רץ, סנאי קופץ או ציפור עפה, יש כאן הרמוניה טבעית של תנועה. יהיה לנו קשה מאד לחקות את התנועה המסונכרנת הטבעית של כל אחת מהגפיים או האיברים שיוצרים את היכולת”, אומר וויליאם רודריק, אחד החוקרים בפרויקט. “אבל, דרך הלימוד והניתוח של התהליך, נוכל לשפר באופן משמעותי את היכולות הטכנולוגיות שלנו ולהטמיע אותן במערכות רובוטיות”.

לצורך ניטור הכוח שמפעילה הציפור בנחיתה על סוגי המשטחים השונים, נשתלו מתחת לכל משטח נחיתה סנסורים מיוחדים שבדקו את עוצמת המגע הראשוני של רגלי הציפור במשטח. במחקר גילו החוקרים כי בנחיתה על משטחים מחוספסים, הציפורים לא נזקקות להפעלת הטפרים (ציפורניים), אלא הסתפקו בהפעלת כוח רגליים כדי לייצר נחיתה רכה ומיד אחר יציבות.

“הנחת היסוד שלנו הייתה שנראה הבדלים משמעותיים במהירות ההגעה לנחיתה. כלומר, הציפור תגיע במהירות שונה לכל סוג משטח מתוך הנחה שהיא מזהה מהאוויר את המאפיינים שלו. להפתעתנו, בניתוח מצלמות המהירות התברר שאין שוני מהותי במהירות הנחיתה, אלא דווקא שוני באופי התנהגות האיברים, זמן קצר אחרי המגע הראשוני”, מספרת צ’אן בכתבה שפורסמה באתר אוניברסיטת סטנפורד. “הבנו שהפקודה ניתנת רק לאחר המגע הראשוני והיא מבוצעת במהירות שיא, כדי לייצר יציבות מקסימאלית”.

בניסוי על משטחים חלקים, התברר שהציפורים עיקלו את הטפרים בצורה שתאפשר להן אחיזת שטח גדולה יותר וטובה יותר. הן התעופפו מעל המשטח עם טפרים פרוסים שגירדו את המשטח, ונחתו סופית רק אחרי שהאטו מספיק ויצרו אחיזה יציבה. נוסף לכך, בעזרת המצלמות המיוחדות נמדדו מהירויות התגובה של האיברים המעורבים בנחיתה עצמה. התברר כי מהירות התגובה והשינוי במנגנוני הרגליים והטפרים עמדה על ממוצע בין 1 ל 2 מילי שנייה. לשם השוואה, מנגנון מצמוץ העיניים של בני אדם מגיב במהירות שנעה בין 100 ל 400 מילי שנייה. אחת המסקנות שאותה מדגישים החוקרים היא כי ניתן להפריד בין מערכת הניהוג לנחיתה למערכת הנחיתה עצמה, בדיוק כמו שעושות הציפורים שמגיעות, פחות או יותר, באותה מהירות למשטחים שונים.

המחקר הנוכחי במעבדות אוניברסיטת סטנפורד, הוא למעשה המשך של שני מחקרים אחרים שבחנו יכולות טבעיות ומוטוריות של ציפורים. בכל שלושת המחקרים שותפים בנוסף לאוניברסיטה גם חיל האוויר האמריקני, משרד ההגנה וקרן המחקר הלאומית של ארצות הברית. המחקר הראשון בסדרה התחקה אחרי יכולות הניווט של ציפורים בסביבה משתנה והאחר על טכניקות המראה ממשטחים שונים בתנאי סביבה משתנים. כל שלושת המחקרים נועדו ליצור אלגוריתמיקה וטכנולוגיה מתקדמת לתעשיית הרובוטיקה והפלטפורמות האוטונומיות.

רחפן ניסוי אוטונומי
צילום: DAR

“אין ספק שמהמידע הרב שאספנו ניתן לפתח טכנולוגיות חדשות למערכות רובוטיות מעופפות”, אומרת צ’ין. “דרך הטכנולוגיות הללו נוכל לשפר באופן דרמטי את יעילות הפלטפורמות הרובוטיות ולפתוח קשת יכולות חדשה, מתקדמת הרבה יותר ממה שאנחנו רואים כיום”.

רחפן ניסוי של הצבא האמריקני
צילום: U.S. Air Force photo/Wesley Farnswo

וויליאם רודריק חברה למחקר, נמצא כבר בשלבים מתקדמים של פיתוח טכנולוגיית נחיתה מבוססת אחיזה gripping לנחיתה על משטחים מורכבים.   “אני מתכנן ליצור יכולת נחיתה ואחיזה בדומה ליכולת הטבעית של ציפורים, ולשלב אותה ברובוטים מעופפים קטנים שינועו במרחב באופן אוטונומי. כך למשל להקה של רובוטים כאלה יכולה להיכנס לג’ונגל, להקליט ולצלם באופן אוטונומי את המתרחש סביב ואז בהוראה של המפעיל לצאת חזרה למקום נחיתה מרוכז. היכולת לאסוף נתונים בצורה כזו לא קיימת כיום אבל בהחלט אפשרית לנוכח המחקר”.

מרחיק ציפורים

אחת התופעות המפתיעות שתועדה תוך כדי הניסוי הייתה נחיתה על גבי משטחים מכוסים בקצף. התברר שהציפורים שנחתו על המשטח בפעם הראשונה , עפו מיד אחרי שקיבלו את גרגרי הדוחן שלהן, מבלי להתעכב. בפעמים הבאות שנדרשו לנחות על המשטח, הן היססו או סירבו בחלק מהמקרים. אחת המסקנות של החוקרים הייתה שהקצף גורם להן לדחייה, ומכאן נשאלת השאלה, האם משטחי קצף יכולים להרחיק ציפורים? כיום, בעיקר סביב שדות תעופה, קיימות מערכות שונות להרחקת ציפורים המסכנות את המטוסים. בין האמצעים: צופרים חזקים, שימוש בקולות נפץ והצבת בובות של עופות דורסים. נוסף לכך מופעלת בחלק משדות התעופה מערכת ניטור של המסלול ונתיבי ההמראה והנחיתה, במטרה לאתר מבעוד מועד להקות ציפורים המסכנות את המטוסים.