چکیده

منطقه گرگ‌ومیش اقیانوس (Ocean Twilight Zone) که در عمق تقریبی ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ متری ستون آب قرار دارد، یکی از ناشناخته‌ترین بخش‌های اقیانوس‌های جهان به شمار می‌رود و نقش بسیار مهمی در چرخه جهانی کربن، پویایی‌های زیستی و تعادل اقلیم زمین ایفا می‌کند. با وجود اهمیت فراوان این ناحیه، مطالعه آن همواره با محدودیت‌های فنی و عملیاتی همراه بوده است. نبود نور کافی، فشار زیاد، دشواری دسترسی و حساسیت بالای موجودات ساکن این لایه موجب شده است که پژوهشگران برای انجام مشاهدات دقیق، به سامانه‌های رباتیک زیرآبی خودکار متکی شوند. یکی از پیشرفته‌ترین این سامانه‌ها، ربات زیرآبی Mesobot است که با هدف تقلید از الگوی مهاجرت روزانه موجودات مزوپلاژیک طراحی شده و قادر است به صورت خودکار یا نیمه‌خودکار به ردیابی، مشاهده و نمونه‌برداری از موجودات این ناحیه بپردازد.

اگرچه استفاده از وسایل نقلیه زیرآبی بدون سرنشین نسبت به کشتی‌ها و زیردریایی‌های بزرگ آلودگی صوتی بسیار کمتری ایجاد می‌کند، اما حتی همین میزان نویز نیز می‌تواند بر رفتار طبیعی موجودات دریایی اثر گذاشته، موجب فرار یا جذب آن‌ها شود و در نتیجه صحت داده‌های علمی جمع‌آوری‌شده را کاهش دهد. از سوی دیگر، نویز تولیدشده توسط سامانه رانش، مهم‌ترین منبع صدای منتشرشده از این نوع ربات‌ها محسوب می‌شود. بنابراین کاهش امضای آکوستیکی سامانه رانش، یکی از الزامات اصلی برای توسعه ربات‌های تحقیقاتی نسل جدید به شمار می‌رود.

این پایان‌نامه با هدف کاهش نویز آکوستیکی تولیدشده توسط سامانه رانش ربات Mesobot انجام شده است. مسئله اصلی پژوهش، شناسایی عوامل مؤثر بر تولید نویز موتور و پروانه و یافتن ترکیبی از اجزای موجود است که بدون افزایش چشمگیر هزینه یا ایجاد تغییرات اساسی در ساختار ربات، بتواند میزان صدای منتشرشده را کاهش دهد. پژوهش تلاش می‌کند مشخص کند کدام روش کنترل موتور و کدام طراحی پروانه کمترین امضای صوتی را ایجاد می‌کنند تا عملکرد علمی ربات در محیط طبیعی بهبود یابد.

تاریخچه این مسئله به رشد سریع استفاده از وسایل نقلیه زیرآبی خودکار در پژوهش‌های اقیانوسی و همچنین افزایش توجه به اثرات آلودگی صوتی در محیط‌های دریایی بازمی‌گردد. در دهه‌های گذشته تحقیقات گسترده‌ای درباره منابع طبیعی و انسانی نویز در اقیانوس انجام شده است. منابع طبیعی شامل ارتباطات صوتی پستانداران دریایی، سخت‌پوستان، ماهیان و سایر موجودات است، در حالی که منابع انسانی شامل تردد کشتی‌ها، عملیات ساختمانی دریایی، انفجارهای زیرآبی، سامانه‌های سونار و تجهیزات تحقیقاتی می‌شود. افزایش این منابع صوتی نگرانی‌های فراوانی درباره اختلال در رفتار، تغذیه، تولیدمثل و مهاجرت گونه‌های دریایی ایجاد کرده است. در همین راستا، پژوهشگران علاوه بر کاهش نویز کشتی‌ها و تجهیزات صنعتی، به دنبال کاهش نویز سامانه‌های تحقیقاتی نیز هستند تا ابزارهای علمی خود کمترین تأثیر را بر محیط مورد مطالعه داشته باشند.

ربات Mesobot به طور ویژه برای مطالعه منطقه گرگ‌ومیش طراحی شده است؛ ناحیه‌ای که میزبان یکی از بزرگ‌ترین مهاجرت‌های روزانه موجودات زنده در کره زمین است. این موجودات هر روز بین اعماق مختلف حرکت می‌کنند و نقش مهمی در انتقال کربن از سطح اقیانوس به اعماق آن از طریق پمپ زیستی کربن ایفا می‌کنند. هرگونه ایجاد اختلال در رفتار طبیعی این موجودات می‌تواند موجب کاهش دقت مشاهدات علمی شود. بنابراین کاهش نویز ربات نه تنها یک مسئله مهندسی، بلکه یک ضرورت علمی و زیست‌محیطی نیز محسوب می‌شود.

برای دستیابی به این هدف، نویسنده ابتدا منابع اصلی تولید نویز در سامانه رانش را شناسایی کرده است. تمرکز اصلی پژوهش بر تراستر BlueRobotics T200 به عنوان سامانه رانش اصلی Mesobot قرار دارد. سپس دو روش مختلف کنترل موتور بدون جاروبک شامل کنترل شش‌مرحله‌ای یا ذوزنقه‌ای (Trapezoidal Commutation) و کنترل میدان‌گرا (Field-Oriented Control یا FOC) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، دو طراحی متفاوت پروانه شامل پروانه استاندارد سه‌پره و پروانه سه‌پره حلقوی (Toroidal Propeller) با یکدیگر مقایسه شده‌اند تا مشخص شود تغییر طراحی پروانه تا چه اندازه می‌تواند نویز هیدرودینامیکی را کاهش دهد.

در بخش آزمایشگاهی، اندازه‌گیری‌های آکوستیکی با استفاده از هیدروفون‌های دقیق در شرایط کنترل‌شده انجام شده است. ابتدا آزمایش‌های اولیه روی کل ربات اجرا شد، اما به دلیل وجود نویز محیطی ناشی از تردد شناورها و بازتاب‌های صوتی، داده‌های حاصل برای نتیجه‌گیری مناسب نبودند. در ادامه، آزمایش‌ها به صورت مجزا روی یک تراستر در مخزن آزمایشگاهی انجام شدند تا امکان اندازه‌گیری دقیق نویز موتور و پروانه فراهم شود. در این آزمایش‌ها تراستر در چند سطح مختلف توان کاری مورد آزمایش قرار گرفت و داده‌های ثبت‌شده پس از پردازش سیگنال، تبدیل فوریه و محاسبه تراز فشار صوت تحلیل شدند.

پژوهش علاوه بر اندازه‌گیری تجربی، از مدل‌سازی انتشار صوت نیز استفاده کرده است. برای این منظور مدل رهگیری پرتو (Ray Tracing) با استفاده از نرم‌افزار BELLHOP به کار گرفته شد تا نحوه انتشار نویز تولیدشده در محیط واقعی اقیانوس شبیه‌سازی شود. این مدل با استفاده از پروفیل سرعت صوت در آب و شرایط محیطی منطقه مزوپلاژیک، میزان تلفات انتشار و برد تقریبی نویز را برآورد می‌کند. ترکیب نتایج مدل‌سازی با داده‌های آزمایشگاهی امکان ارزیابی تأثیر واقعی نویز تولیدی بر محیط اطراف ربات را فراهم ساخته است.

نتایج پژوهش نشان می‌دهد که بیشترین سهم نویز تولیدی مربوط به عملکرد موتور الکتریکی بوده و اثر طراحی پروانه نسبت به روش کنترل موتور کمتر است. مقایسه دو روش کنترل نشان داد که کنترل میدان‌گرا (FOC) در اکثر بازه‌های فرکانسی نسبت به کنترل ذوزنقه‌ای نویز کمتری تولید می‌کند و اختلاف تراز فشار صوت در برخی فرکانس‌ها به چندین دسی‌بل می‌رسد. این موضوع بیانگر آن است که انتخاب روش مناسب کنترل موتور می‌تواند بدون تغییر ساختار مکانیکی سامانه، کاهش محسوسی در امضای آکوستیکی ایجاد کند.

در مقابل، مقایسه پروانه استاندارد با پروانه حلقوی سه‌پره نتوانست شواهد قطعی و قابل اتکایی برای برتری یکی از آن‌ها از نظر کاهش نویز ارائه دهد. اگرچه پروانه حلقوی به عنوان یک طراحی نوآورانه مورد ارزیابی قرار گرفت، اما نتایج آزمایش‌ها اختلاف معناداری میان عملکرد صوتی دو پروانه نشان نداد. از این رو پژوهش استفاده از این نوع پروانه را به عنوان راهکار اصلی کاهش نویز توصیه نمی‌کند و تمرکز اصلی را بر انتخاب روش کنترل موتور قرار می‌دهد.

از دیگر دستاوردهای این پایان‌نامه می‌توان به توسعه یک روش استاندارد برای مقایسه نویز سامانه‌های رانش زیرآبی، طراحی و ساخت نمونه اولیه پروانه حلقوی، ارائه روش ارزیابی نویز موتورهای بدون جاروبک، یکپارچه‌سازی پروانه جدید با تراستر موجود و ارائه یک راهکار عملی برای کاهش امضای صوتی ربات اشاره کرد. همچنین پژوهش محدودیت‌های موجود از جمله شرایط آزمایشگاهی، تأثیر ارتعاشات بدنه و لزوم انجام آزمایش‌های دریایی واقعی را بیان کرده و پیشنهادهایی برای ادامه تحقیقات آینده ارائه داده است.

در مجموع، این پایان‌نامه نشان می‌دهد که کاهش نویز سامانه رانش ربات‌های زیرآبی نه تنها باعث افزایش کیفیت داده‌های علمی می‌شود، بلکه اثرات منفی حضور تجهیزات تحقیقاتی بر اکوسیستم‌های حساس دریایی را نیز کاهش می‌دهد. مهم‌ترین نتیجه پژوهش آن است که استفاده از کنترل میدان‌گرا برای موتور تراستر Mesobot بهترین گزینه جهت کاهش نویز آکوستیکی محسوب می‌شود، در حالی که تغییر نوع پروانه به تنهایی تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر کاهش نویز نشان نداده است. یافته‌های این تحقیق می‌توانند مبنای طراحی نسل آینده ربات‌های زیرآبی کم‌صدا قرار گیرند و به توسعه سامانه‌های اکتشافی دقیق‌تر، پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست دریایی کمک کنند.

فهرست مطالب

چگونه یک ربات زیرآبی می‌تواند بدون ترساندن موجودات اعماق اقیانوس حرکت کند؟

اقیانوس هنوز یکی از ناشناخته‌ترین بخش‌های سیاره ماست، اما گاهی بزرگ‌ترین مانع برای مطالعه آن، خود ابزارهای تحقیقاتی هستند. تصور کنید رباتی که برای مشاهده رفتار طبیعی آبزیان طراحی شده، آن‌قدر پرصدا باشد که همه موجودات را قبل از رسیدن فراری دهد! این دقیقاً چالشی است که این پژوهش به سراغ آن رفته است؛ اینکه چگونه می‌توان یک ربات زیرآبی را تا حد امکان بی‌صدا کرد تا بدون ایجاد مزاحمت، اعماق اقیانوس را مطالعه کند.

منطقه گرگ‌ومیش اقیانوس؛ دنیایی که هنوز ناشناخته مانده است

بخش بزرگی از این تحقیق روی منطقه‌ای از اقیانوس تمرکز دارد که «منطقه گرگ‌ومیش» نامیده می‌شود؛ جایی میان حدود ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ متر عمق که نور خورشید به سختی به آن نفوذ می‌کند.

این منطقه میزبان میلیون‌ها موجود دریایی است که هر روز بزرگ‌ترین مهاجرت عمودی جهان را انجام می‌دهند. با وجود اهمیت این اکوسیستم در چرخه کربن و تعادل اقلیم زمین، اطلاعات بشر درباره آن هنوز بسیار محدود است.

چرا این موضوع مهم است؟

زیرا هر ابزار تحقیقاتی که وارد این محیط شود، اگر بیش از حد پرصدا باشد، رفتار طبیعی موجودات را تغییر می‌دهد و اعتبار داده‌های علمی را کاهش می‌دهد.

ربات Mesobot؛ پژوهشگری که باید نامرئی و بی‌صدا باشد

برای مطالعه این محیط، ربات زیرآبی Mesobot طراحی شده است؛ وسیله‌ای که می‌تواند ساعت‌ها به صورت خودکار در میان موجودات دریایی حرکت کرده و آن‌ها را دنبال کند.

اما موفقیت این ربات تنها به دوربین‌ها و حسگرهای آن وابسته نیست. اگر موتورهای آن نویز زیادی تولید کنند، موجودات دریایی پیش از ثبت هر تصویر یا داده‌ای از محل دور می‌شوند.

به همین دلیل، کاهش صدای موتور به یکی از مهم‌ترین اهداف این پایان‌نامه تبدیل شده است.

دشمن پنهان تحقیقات دریایی: آلودگی صوتی

وقتی صحبت از آلودگی در اقیانوس می‌شود، معمولاً پلاستیک یا نشت نفت به ذهن می‌آید؛ اما آلودگی صوتی نیز یکی از تهدیدهای جدی برای حیات دریایی است.

کشتی‌ها، زیردریایی‌ها، تجهیزات صنعتی و حتی ربات‌های تحقیقاتی همگی صدا تولید می‌کنند. بسیاری از جانوران دریایی برای یافتن غذا، برقراری ارتباط و جهت‌یابی به صدا وابسته‌اند؛ بنابراین افزایش نویز می‌تواند زندگی طبیعی آن‌ها را مختل کند.

این پژوهش تلاش می‌کند سهم ربات تحقیقاتی در این آلودگی را تا حد امکان کاهش دهد.

کدام روش کنترل موتور صدای کمتری تولید می‌کند؟

مهم‌ترین بخش تحقیق، مقایسه دو روش مختلف کنترل موتور تراسترهای زیرآبی است:

• کنترل شش‌مرحله‌ای (Six-Step)
• کنترل میدان‌گرا (Field-Oriented Control یا FOC)

پس از انجام آزمایش‌های متعدد، اندازه‌گیری فشار صوت و تحلیل طیف فرکانسی، نتایج نشان دادند که کنترل میدان‌گرا تقریباً در تمام شرایط نویز کمتری نسبت به روش شش‌مرحله‌ای تولید می‌کند.

این یافته اهمیت زیادی دارد، زیرا تنها با تغییر روش کنترل موتور، بدون تغییر اساسی در سخت‌افزار، می‌توان رباتی آرام‌تر ساخت.

آیا پروانه حلقوی واقعاً انقلابی است؟

یکی از جذاب‌ترین بخش‌های پایان‌نامه بررسی یک طراحی جدید به نام پروانه حلقوی (Toroidal Propeller) است.

این طراحی در سال‌های اخیر توجه زیادی را جلب کرده، زیرا انتظار می‌رود آشفتگی جریان آب و در نتیجه نویز را کاهش دهد.

اما نکته جالب این پژوهش این است که برخلاف انتظار، آزمایش‌ها برتری قاطع و محسوسی برای این پروانه نسبت به پروانه سه‌پره معمولی نشان ندادند.

این نتیجه یادآور آن است که هر فناوری جدید، حتی اگر بسیار نوآورانه به نظر برسد، باید پیش از پذیرش گسترده به‌صورت تجربی ارزیابی شود.

وقتی آزمایش واقعی آن‌طور که انتظار می‌رود پیش نمی‌رود

یکی از بخش‌های ارزشمند این پایان‌نامه، بیان صادقانه شکست یکی از آزمایش‌های اولیه است.

در آزمایش نخست، پژوهشگران تلاش کردند نویز کل ربات را در محیط واقعی اندازه‌گیری کنند، اما صدای زیاد شناورها و بازتاب امواج در آب باعث شد داده‌های به‌دست‌آمده قابل استفاده نباشند.

به جای نادیده گرفتن این موضوع، مسیر تحقیق تغییر کرد و آزمایش‌ها در محیط کنترل‌شده روی هر تراستر به‌صورت جداگانه انجام شدند.

این رویکرد نشان می‌دهد که پژوهش علمی تنها مجموعه‌ای از موفقیت‌ها نیست؛ بلکه اصلاح مداوم روش‌ها بخش جدایی‌ناپذیر آن است.

مدل‌سازی انتشار صوت؛ نویز تا کجا می‌رود؟

اندازه‌گیری صدا تنها نیمی از ماجراست.

در ادامه پژوهش، انتشار صوت در آب با استفاده از مدل BELLHOP شبیه‌سازی شد تا مشخص شود نویز موتور تا چه فاصله‌ای در اقیانوس منتشر می‌شود.

این مدل به پژوهشگران کمک می‌کند پیش‌بینی کنند که ربات تا چه فاصله‌ای ممکن است بر رفتار موجودات دریایی اثر بگذارد و چگونه می‌توان این اثر را کاهش داد.

چرا این پایان‌نامه اهمیت دارد؟

در نگاه اول ممکن است موضوع تنها درباره کاهش صدای یک موتور باشد، اما در واقع مسئله بسیار فراتر از آن است.

این پژوهش نشان می‌دهد که پیشرفت فناوری باید هم‌زمان با احترام به محیط زیست انجام شود. اگر ابزارهای تحقیقاتی خود باعث تغییر رفتار موجودات شوند، اعتبار بسیاری از مطالعات علمی زیر سؤال خواهد رفت.

به همین دلیل، ساخت ربات‌های زیرآبی کم‌صدا می‌تواند کیفیت پژوهش‌های اقیانوسی را افزایش دهد و در عین حال آسیب کمتری به اکوسیستم‌های حساس وارد کند.

جمع‌بندی

این پایان‌نامه نشان می‌دهد که گاهی بزرگ‌ترین پیشرفت، در بلندتر شدن صدا نیست؛ بلکه در آرام‌تر شدن آن است. کاهش نویز سامانه‌های رانش می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از ربات‌های زیرآبی هموار کند؛ ربات‌هایی که بدون برهم زدن سکوت اعماق اقیانوس، رازهای ناشناخته آن را آشکار می‌کنند.

و شاید پرسش مهم آینده این باشد: اگر بتوانیم ابزارهای علمی را تقریباً نامرئی و بی‌صدا کنیم، چه بخش‌های ناشناخته دیگری از اقیانوس برای نخستین بار خود را به ما نشان خواهند داد؟