تحقيق المستوى الأمثل من الديناميكيات الهوائية للآليات ذاتية الأداء في البيئات الحضرية

دور أجهزة التوصيل المستقلة في السوقيات الحضرية

وتشهد السوقيات الحضرية تحولا سريعا، حيث تضغط التجارة الإلكترونية والخدمات التي تقدم بطلبات للحصول على خدمات أسرع وأكثر استدامة في الفترة الأخيرة، وقد برزت رواتب التوصيل المستقل كحل عملي لشحن الرصيف المكتظ، وممرات الدراجات، ومناطق المشاة، ويمكن لهذه المركبات الصغيرة ذاتية أن تحمل قطعا من البقالة والبقالة، وتعتمد مباشرة على العملاء، مما يقلل من عدد الموثوقية التقليدية.

ومن أكثر العوامل إغفالا في أداء هذه الروبوتات هو الديناميكية الهوائية، وفي حين أن سرعة تسليم الروبوتات تقتصر عادة على ٥-١٠ ملليغرام )٨-١٦ كيلومترا/ساعة(، فإن الطاقة اللازمة للتغلب على المقاومة الجوية لا تزال تمثل جزءا كبيرا من استهلاك البطاريات، ولا سيما في الطرق الأطول أو في ظروف الرياح، كما أن تحسين الصورة الهوائية لهذه المركبات يمكن أن يبسط مباشرة تكاليف البطاريات، ويخفض البيئة البحرية.

لماذا مادة الأيروديناميك: كفاءة الطاقة، الرنج، الاستقرار

ويمكن تحديد فيزياء السحب الهوائي بمعادلة F d = 0.5 × × × × × × 2 × C d × × × A، حيث تتوقف قوة السحب على كثافة الهواء (الكهرباء) وسرعتها القصوى (ت) 0,4، وعامل الجر (C d)، ومساحة الجروح (A) بالنسبة للتوصيل (A).

إن نطاق البطاريات هو مصدر قلق رئيسي لمشغلي الأسطول، إذ أن العديد من روبوتات التسليم الحالية يتراوح بين 20 و30 ميلاً (32 و48 كيلومتراً) لكل شحنة، وفي اختبارات العالم الحقيقي، يمكن أن تؤدي حركات الهوائية الفقيرة إلى الحد من هذا النطاق بنسبة تصل إلى 25 في المائة في الريح الأمامية أو على السطح المائل، فالقابلية عامل حاسم آخر: قد يصبح الإنسان الآلي ذو معامل جر مرتفع أو فصل غير منتظم في التدفق غير مستقر.

فالظروف البيئية في المدن لا يمكن التنبؤ بها، فبعض الرياح حول المباني الطويلة والمطر وحتى الصياغة من المركبات العابرة يمكن أن تؤثر على مسار الروبوتات، وهو تصميم جوي ديناميكي يقلل من الارتفاع ويوفر مناولة يمكن التنبؤ بها يساعد على الحفاظ على التشغيل الآمن، كما لوحظ في دراسة 2022 من إدارة الطاقة في الولايات المتحدة ، بل إن هناك تحسينات صغيرة في الكفاءة في مجال الطاقة الجوية.

المبادئ الأساسية للملاحة الجوية المطبقة على المركبات الأرضية الصغيرة

فالآليات المولدة هي مركبات أرضية تعمل بالقرب من الناس والعقبات، فخلافا للسيارات أو الطائرات بدون طيار، تواجه تحديات جوية فريدة: نظام عدد منخفض من رينولدز (من 104 إلى 105) حيث تهيمن عليه القوات المتبصرة، وهذا يعني أن فصل التدفق يحدث بشكل مختلف عن المركبات الأكبر، وأن آثار طبقة الحدود تصبح أكثر وضوحا، ولذلك يجب أن ينظر التصميم في تحديد الشكل الأمثل للطائرة، بل أيضا في السطح.

التأثير الأرضي، حيث الهواء مُضغط بين جسم الإنسان الآلي والطريق، يمكن أن يخلق رفعاً إضافياً أو سحباً تبعاً لصورة السيارة، وسطح تحت سطح مُدسر يمكنه أن يقلل من الرّفّة ويحسن الاستقرار، وبالمثل، فإن الصّدف وراء الآلي يمكن أن يسبب ضغطاً يحد من السرعة، ويُصمّم جزءًا مُرتدّبًا مثل مركب يُعيدًاًاًاًاًاًاًاًاًا، ويُخفضًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًا.

وقد أصبح نموذج ديناميات السوائل الحاسوبية أمراً أساسياً لتصفيات سريعة، ويمكن للمهندسين تحفيز آلاف التباينات في الشكل والزاوية والنسيج السطحي دون وضع نماذج أولية مادية.() وقد أثبت تصميمات المكوِّنات القابلة للتشغيل مباشرة بنسبة 18 في المائة بالنسبة للمركبات الأرضية الصغيرة، وهو عبارة عن 10 في المائة من الورق المحتوي على أرقام قياسية.

العوامل الرئيسية للتصميم: شاب، سطح، حجم، حركة التنقل

Shape and Contours

إن أكثر أشكال التدنية فعالية هي المسيل للدموع أو الملامح المشابهة للرصاص التي تدور أمامها وخلفية ممزقة، إذ أن العديد من روايات التسليم التجاري، مثل تلك التي تستخدمها تكنولوجيات ستار سيتيب ونورو، تعتمد عاملاً نموذجياً يتذكر كبسولة صغيرة وصديقة، وهذه الأشكال تقلل من المنطقة الأمامية التي تنجم فيها آثار جوية أولاً، ثم تضيق تدريجياً نطاق التقاطعات الخارجية للسماح بالتدفق حول الجانبين بأقل قدر ممكن من الاضطرابات.

مواد سطحية وخصائص

إن أسطح الدخان والتجمد المنخفض حرجة، فالأرض المرتفعة، والغطاء الهيدروفي لا تقلل فقط من الاحتكاك الجلدي بل تبعث على التراب والمياه، التي يمكن أن تتراكم وتعطل تدفق الهواء، كما أن اختيار مركبات البوليكربون ذات الأولوية العالية التي تصيب الفولط، والبلاستيك المزود بالزجاج والمحرر، أو المبيدات الحشرية ذات الصبغة الصغرية العالية، هي الأخرى التي تُستُطحُر.

الحجم والنسب

وأبعاد الاتفاق مفيدة لكل من الديناميكية الهوائية والمناورات الحضرية، حيث أن ارتفاعا أقل يقلل من مساحة الجبهات، كما أن قاعدة عجلات تضاهي عرض المركبة يمكن أن تقلل من جرها المستحث، غير أن قدرة الشحن يجب ألا تتعرض للخطر، وكثيرا ما يستخدم المصممون مقصورات نموذجية تسمح بظل شكل الروبوتات مبسطا حتى عندما يحملون حمولات غير نظامية.

خصائص التنقل: المكونات القابلة للسحب والنشاط

أما الروبوتات الموصلية فهي مجهزة بالكاميرات، والجهاز الليدي للبحوث، والمجسات فوق الصوتية، وغير ذلك من أجهزة التصور، ويمكن أن تزيد هذه التهوية زيادة كبيرة من جرها، كما أن الابتكارات مثل أجهزة الاستشعار القابلة للاستخلاص أو الكاميرات التي تعمل بالفلور لا تنفجر إلا عندما تكون هناك حاجة إلى الحد من السحب الطفيلي، وبالمثل، فإن أجهزة التهوية أو العلامات التي تُظهر أو العروض الخارجية يمكن تصميمها بحيث لا تُبسط تصميمها.

المواد المتقدمة وتقنيات التصنيع من أجل الحد من الوزن

فالضعف عامل ثانوي في الكفاءة العامة، ولكنه يتفاعل مع الديناميكية الهوائية، إذ تتطلب مركبة أخف طاقة أقل للتعجيل بها والحفاظ عليها، مما يمكن أن يعوض بعض عقوبة الجاذبية إذا كان الشكل أقل من الكمال، أما البوليمرات المتقدمة التي تستخدم في السوق المرهقة الكربون، فهي تستخدم بشكل متزايد في نماذج الروبوتات ذات القيمة العالية، ويمكن أن تتحول إلى قيود عالية على الوزن.

:: طباعة 3D (الصناعة الاصطناعية) تكتسب مسارا لإنتاج لوحات هوائية تقليدية وأغطية تحت الجسم، ويمكن للشركات أن ترسم بسرعة أشكالا جديدة وتختبرها، ثم تنتقل إلى إنتاج منخفض الحجم لطرق متخصصة، فعلى سبيل المثال، قد يكون للآلي المصمم لـ " هيلي سان فرانسيسكو " جهاز دفق مختلف عن جهاز نشر في أمستردام مسطحة، وقدرة على سرعة استخدام النموذج اللازري.

كما تسمح هياكل الوزن الخفيف للمصممين بتضمين مجموعات البطاريات الأكبر دون تجاوز حدود الوزن بالنسبة لاستخدام الرصيف (نحو 80 إلى 100 كيلو متر مربع) (36 إلى 45 كيلوغراما) ويمكن إعادة استثمار المدخرات من الوزن في أجهزة استشعار أفضل أو في حمولة شحن أكبر، مما يزيد من تحسين جدوى الروبوت.

المحاكاة والاختبار: الديناميات الفولطية الحاسوبية (CFD) و " Wind Tunnel Experiments "

وقبل أن يتدفق روبوت على الشارع، يتم اختبار الديناميكية الهوائية بشكل واسع في البيئات الرقمية والمادية، كما أن برامجيات البرمجيات التي تستخدمها المؤسسة، مثل أنسيز فونت أوف إف أوام أو سيمسكالين، تتيح للمهندسين أن يُنقِّذوا تدفقاً جوياً حول الروبوتات بسرعات مختلفة، وزواياً مائل (عبر الرياح)، والتشكيلات الأرضية.

وتُعادل محاكاة الديوكسينات باستخدام اختبارات النفق الريحي، عادة على نطاقات صغيرة (مثلاً 1:4 أو 1:2 نموذجاً قياسياً) أو نماذج أولية كاملة الحجم في الأنفاق الريحية المتداولة، وتُحاكي الطرق المتجددة الأثر الأرضي بشكل أدق من طابق ثابت، وقد نشرت شركات مثل تكنولوجيات السفن بيانات أطول من حملاتها الريحية تبين أنها تُخفض من 0,7 ساعة إلى كيلوغرام.

كما أن التحقق من صحة العالم الحقيقي أمر أساسي، فالروبوتات مجهزة بالمقياس عن بعد على متنها الذي يسجل استهلاك السيارات من حيث التيار والسرعة والطاقة، ومن خلال مقارنة استخدام الطاقة على نفس الطريق في إطار مختلف التشكيلات الأيرودينامية (مثلاً، مع المفسد الذي يمكن تغييره)، يمكن للمهندسين التحقق من التنبؤات المتعلقة بالتقديرات.

دراسات الحالة في العالم الحقيقي: كيف يمكن للشركات الرائدة أن تحقق المستوى الأمثل للأورام الأيرودينامية

تكنولوجيات الفضاء

(ب) تكنولوجيات السفن، وهي رائدة في روبوتات التوصيل على الرصيف، تعمل آلاف الروبوتات عبر المعسكرات والمناطق الحضرية في الولايات المتحدة وأوروبا، وجهازها الآلي، سفينة ستارسي سي، يميز شكلاً مطوّراً وشبه بيض مع تكامل منخفض في أجهزة الاستشعار الفلورية، وتستخدم الشركة لوحات من طراز ConBS المصنّع بالحقن مع إنجاز مسدود سلساً لتقليل حجم الجرّة إلى أدنى حد.

Nuro

أما نماذج الأشعة الثانية للناورو والنماذج اللاحقة فهي مصممة حصراً على طريق التسليم، وتعمل بسرعة تصل إلى 25 ميلاً (40 كيلومتراً مربعاً) وتعطي تصميماتها الأولوية لمنطقة جبهية منخفضة وسطح تحت سطح الأرض لتقليل السحب بسرعة أعلى، وقد بُتحت نورو " مجموعة من الحمولات الهوائية " التي تدمج مقصورة الحمولة في هيكل المركبات، وتتجنب صناديق الشحن الخارجية التي ستزيد من جرها.

Amazon Scout

أمازون كشافة بدأ في البداية بتصميم على شكل مربع ومبرد، ولكن بعد ذلك اعتمدت عمليات التكرار شكلا أكثر سطوحا وتبسيطا، كما أن مهندسي الأمازون قد اختبرت أكثر من 20 شكلا مختلفا في المحاكاة الافتراضية وأنفاق الرياح، واختيار تصميم يقلل من الجر بنسبة 22 في المائة مقارنة بالتدفق الأصلي، ويعمل الكشافة الآن بمعامل جر يبلغ حوالي 0.6، وهو ما لا يمكن قياسه إلى مركبة متحركة تحت 80.

التحديات: الموازنة بين الديناميكية الهوائية والوظيفة (الكارغو، والمسدسات، والاستمرارية)

فالأرضية المثلى للبيوت الهوائية ليست هدفاً واحداً من أهداف التصميم؛ بل يجب أن تتنافس مع الأولويات الأخرى، حيث أن الشكل الأكثر برودينامية - الذي يمكن أن يترك مجالاً كافياً للشحن أو وضع أجهزة الاستشعار، إذ يحتاج الإنسان الآلي إلى أرضية داخلية مسطحة، وأبواب يسهل الوصول إليها، وكثيراً ما يُظهر على نحو مُحدّد للتفاعل مع العملاء، وكل ذلك يؤدي إلى انقطاع في السطح.

فالوضع الحسّي أمر يثير إشكالية خاصة، إذ يجب أن يكون لدى وحدات البحّار والكاميرات والمجسّسات فوق الصوتية مجالات غير مربوطة، مما يعني في كثير من الأحيان تصعيدها على سطح أو جانبي الروبوت، وتزيد هذه الظواهر من جرّها ويمكن أن تلتقطها، ويتمثل أحد الحلول في دمج أجهزة الاستشعار وراء المعارض الشفافة للارتفاع بالزجاج أو الازدواج.

فالدورية قيد آخر، إذ تعمل الآلات الموصلات في الهواء الطلق، ويجب أن تتحلى بالمطر والثلج ودرجات الحرارة القصوى والاصطدامات العرضية، ويمكن أن تساعد الأشكال المتجمعة التي تصلح للهوائيات الهوائية أيضا على إزالة الآثار، ولكن المواد يجب أن تكون قادرة على الصمود بما يكفي لعدم كسرها، وتستخدم الشركة البريطانية كيويبوت قذيفة خارجية مرنة يمكن أن تتحول إلى حد طفيف عند حدوث تأثير، ثم تتحول إلى شكل متزامن.

فالتكاليف تمثل تحديا دائما، إذ تزيد المواد المركبة العالية الارتقاء وعمليات التموين المعقدة تكاليف التصنيع، بل إن عدد قليل من سنتات الوحدة التي تضاعفها الملايين يمكن أن يؤثر على الربحية، ولذلك فإن العديد من الصانعين يعتمدون نهجا نموذجيا: فرس القاعدة الجوية المعيارية التي يمكن تكييفها مع الألواح المكشوفة لمختلف الطرق أو المواسم.

الاتجاهات المستقبلية: الديناميات الهوائية الإيجابية، والنظم النشطة، والتمكين الأمثل من استخدام الطاقة النووية في الأغراض السلمية

أما الحدود التالية في مجال توصيل الطائرات الآلية فهي تكمن في نظم التكيف التي تستجيب للظروف المتغيرة في الوقت الحقيقي، تخيل آلي يمكنه أن يرفع أو يقلل من لوحه الأعلى للحد من السحب عند السفر بسرعة أو نشر شعلات صغيرة لمواجهة التوائم، أما المكوكات الشجرية النشطة، والنواقل المتغيرة، بل وحتى الكمائن الخارجية في استخدام السبيكة المتطورة أو الحجرات الجامعية.

ويمكن أن تؤدي المعلومات الاستخبارية الفنية إلى تحقيق الحد الأمثل من التشكيلات الهوائية استنادا إلى بيانات المسارات، فعلى سبيل المثال، يمكن للآلي أن يقلل من ارتفاعه في أجزاء مستقيمة طويلة من أجل خفض تدفق الهواء تحت سطح الجسم، وأن يرفعه مرة أخرى من أجل كبح الملاحة. ويمكن أن تتنبأ نماذج التعلم الآلات التي يتم تدريبها على بيانات النفق الريحي بالزاوية المثالية لسرعة الرياح وتوجيهها، ثم تؤدي إلى تحسين الرقابة على المكونات الآلية البالغ عددها ١٠ في المائة.

وقد يستفيد الأسطول أيضا من الديناميات الهوائية التعاونية، ففي فصيلة من روبوتات التسليم التي تسافر على طول الطريق نفسه، يمكن للآليات المتقطبة أن تُقلل من جرها عن طريق صياغة سيارات مماثلة للسيارات المسابقة، وسيسمح الاتصال بين الآليين لها بتنسيق المباعدة والسرعة لتحقيق أقصى قدر من هذا التأثير، وتشير المحاكاة المبكرة إلى أن الفصيلة يمكن أن تخفض استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 30 في المائة بالنسبة للمجموعة بأكملها.

كما سيساعد توحيد الهياكل الأساسية القائمة على الشحن والتقييم عن بعد، فمع اعتماد مزيد من المدن قواعد لمركبات التسليم المستقلة، يمكن للمصنعين أن يتجمعوا بشأن عوامل شكلية معينة، مما يتيح إجراء بحوث مشتركة في مجال الديناميات الهوائية، ويمكن أن تؤدي نماذج المصادر المفتوحة للديون الكرواتي والشكل المرجعي إلى التعجيل بالابتكارات من أجل بدء تشغيل أصغر دون جيوب عميقة.

الاستنتاج: الطريق نحو تحقيق الكفاءة والاستدامة في مجال تقديم الخدمات الحضرية

إن تحقيق المستوى الأمثل من روبوتات التسليم المستقلة لا يعني جعلها تبدوا ذات جدوى فحسب، بل هو تخصص هندسي حرج يؤثر تأثيرا مباشرا على التكلفة، والنطاق، والسلامة، والاستدامة البيئية، ومن خلال تطبيق مبادئ من الديناميات الهوائية للسيارات والفضاء الجوي على الروبوتات الأرضية الصغيرة، يمكن للمهندسين أن يحققوا مكاسب كبيرة في كفاءة الطاقة دون التضحية بقدرات الشحن أو المرونة التشغيلية.

فالآليات الحالية تبرهن بالفعل على فوائد الأشكال المبسطة، والأسطح السلسة، ومواد الوزن الخفيف، وتظهر أمثلة العالم الحقيقي من السفينة " ستارسيب " و " نورو " و " أمازون سكووت " أن التحسينات في التصميم المتكرر يمكن أن تقلل من الجر بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة، وتترجم إلى المدى الأطول، وتخفض الطلب على إعادة شحن البطاريات، كما أن التقدم المحرز في أدوات المحاكاة مثل كربونات الدي والغطس الريحية لا يزال يُ اختبار الريحية يُطِّلَتُ إلى حدَّة.

وفي المستقبل، فإن إدماج الملامح الأيرودينامية التكييفية ونظم الرقابة التي يقودها المعهد يبشر بمكاسب أكبر، ومع تزايد عدد سكان المناطق الحضرية وزيادة الطلب على التسليم في منتصف الليل، فإن كل كيلووات ساعة يتم توفيرها، لا يهم، بل إن روبوتات الإنجاز في المستقبل لن تكون أسرع وأكثر موثوقية فحسب، بل أيضا أكثر سمارة وأذكى، تتحول إلى صناعة الطاقة في المناطق الحضرية دون أدنى حد.