Nghiên cứu sức bay của hải âu để chế tạo máy bay không người lái

Chim biển dành phần lớn thời gian sống của mình trên bầu trời. Đặc biệt, năng lượng được chúng sử dụng khi bay còn ít hơn khi chúng đậu trên đất liền. Hải âu chỉ tìm tới đất liền khi cần giao phối.

“Trinh sát” rẻ mà hiệu quả

Nhận định về loài chim hải âu, các nhà khoa học cho biết, chúng là một trong những "du khách" nhạy bén nhất trong thế giới động vật. Chim hải âu có thể bay khoảng 804 km trong một ngày chỉ với một vài lần liệng đôi cánh dài. Qua các nghiên cứu cho thấy, chim hải âu có thể bay 8,5 triệu km trong cuộc đời của mình - tương đương với bay đến Mặt trăng và trở lại hơn 10 lần. Với sải cánh dài, lướt ở tốc độ thường vượt quá 80,47km/giờ, chim hải âu lớn có thể bay qua những dải mênh mông của biển trong vài phút và với đôi mắt sắc sảo, chúng được gọi là "những người lính gác biển".

Theo trang New Scientist, 169 con hải âu đã được tuyển chọn vào đội "đặc nhiệm" với lợi thế có thể bay hàng trăm cây số một ngày. Bầy hải âu được huấn luyện để tuần tra quanh khu vực Ấn Độ Dương hằng ngày. Nhóm nghiên cứu trang bị cho hải âu nhiều loại cảm biến, nặng khoảng 65g, có thể phát tín hiệu radar giúp xác định xem các tàu cá đang bật hay tắt thiết bị định vị của mình (định vị tắt là một trong những dấu hiệu tàu đánh bắt trái phép). Ngoài ra nó cũng giúp xác định tàu buôn người, ma túy dễ dàng…

Từ đó, các chuyên gia sẽ ghi nhận vị trí của các tàu này và tiến hành kiểm chứng. Phạm vi dò tìm của cảm biến lên đến 30km. Theo thống kê, 1/4 số tàu đánh bắt cá ở Ấn Độ Dương hiện nay đang hoạt động bất hợp pháp. Địa bàn rộng nhưng lực lượng tuần tra mỏng, trong khi các biện pháp quản lý hiện đại như dùng vệ tinh theo dõi lại khá đắt đỏ là những nguyên nhân chính khiến nạn đánh bắt cá trái phép vẫn phổ biến. Đánh bắt cá bất hợp pháp được cho là gây thiệt hại cho nền kinh tế toàn cầu lên tới 20 tỷ USD hoặc 30 tỷ USD mỗi năm, con số vượt quá tổng sản phẩm quốc nội hàng năm của khoảng một nửa các quốc gia trên thế giới.

Nhưng việc kiểm soát đại dương, nơi che phủ hơn 70% hành tinh của chúng ta, không phải là nhiệm vụ dễ dàng đối với các cơ quan thực thi pháp luật trên đất liền. Thuyền được đánh bắt hợp pháp thường được đăng ký và cấp phép, và do đó phải tuân thủ luật pháp về việc họ câu cá ở đâu và khi nào, và họ có thể bắt được bao nhiêu. Giám sát hoạt động nghề cá trên đất liền là một chuyện, nhưng đại dương mở được coi là vùng biển quốc tế và không phải là thuộc thẩm quyền của một quốc gia.

Mới đây, Tiến sĩ (TS) Henri Weimerskirch từ Trung tâm nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp thử nghiệm ý tưởng táo bạo khi muốn biến những chú hải âu thành "điệp viên" theo dõi các tàu cá vi phạm hay các tàu buôn người… Theo TS Henri Weimerskirch, đội hải âu sẽ là phương pháp mới, rẻ tiền nhưng hỗ trợ hiệu quả cho các hình thức theo dõi tàu hiện tại, hoặc có thể dùng kết hợp với nhiều phương thức khác trợ giúp cho lực lượng chuyên trách kiểm soát các vùng biển rộng lớn.

"Cho đến nay, chúng tôi đã ghi nhận những thành công khi dùng phương pháp này" - TS Henri Weimerskirch nói. Từ tháng 12/2021 đến tháng 6/2022, đội chim hải âu của nhóm nghiên cứu đã bắt gặp 26% trong số 353 tàu đã tắt định vị. Ở vùng biển quốc tế, đội chim ghi nhận 36,9% số tàu đã tắt định vị, 5  tàu buôn lậu được phát hiện.

Melinda Conners, nhà sinh vật học bảo tồn nghiên cứu về hải âu Đại học Stony Brook (New York, Mỹ), nhận định đây là phương pháp thực sự thông minh. Không có tàu thuyền hay máy bay nào có thể sánh được với khả năng giám sát bao quát những vùng biển rộng lớn này của hải âu.

Thu thập dữ liệu quan trọng

Dữ liệu nghiên cứu cho thấy giới tính, tuổi tác hoặc tính cách của mỗi con chim ảnh hưởng đến khả năng con chim tiếp xúc với thuyền đánh cá như thế nào. Ví dụ, con đực có xu hướng tìm kiếm thức ăn ở phía nam, gần Nam Cực, nơi thuyền đánh cá hiếm hơn, trong khi con cái tìm kiếm xa hơn về phía Bắc, đưa chúng đến gần vùng nhiệt đới hơn và tiếp xúc với các điểm nóng của hoạt động đánh bắt cá. Để kiểm tra khả năng tuần tra của các loài chim, các nhà nghiên cứu đi đến khu vực làm tổ của những con hải âu lang thang (Diomedea exulans) và hải âu Amsterdam (Diomedea amsterdamensis) trên 3 đảo Crozet, Kerguelen và Amsterdam xa xôi ở phía nam Ấn Độ Dương. Sau khi chọn 169 cá thể ở các độ tuổi khác nhau, nhóm nghiên cứu đã gắn hoặc dán các bộ thu phát, mỗi bộ chỉ nặng 56,70g, vào lưng của những chú chim rồi thả cho chúng bay đi tự do.

Trong suốt 6 tháng, đội quân hải âu của nhóm nghiên cứu khảo sát hơn 50 triệu km vuông trên biển. Bất cứ khi nào những con chim xâm nhập trong vòng bán kính 4,83 km của một chiếc thuyền, nhóm nghiên cứu liền xác định tọa độ của chúng, sau đó tiến hành kiểm tra thông qua vệ tinh tới một cơ sở dữ liệu trực tuyến mà các quan chức có thể truy cập và kiểm tra chéo với các dữ liệu AIS (hệ thống thông tin liên lạc trợ giúp hàng hải, cho phép các tàu trao đổi những thông tin về nhận dạng vị trí, hướng, tốc độ với nhau hoặc trao đổi với các trạm trên bờ). Trong số 353 tàu cá được phát hiện, có đến 28% chiếc tắt AIS - một phát hiện khiến Weimerskirch hoàn toàn mất cảnh giác. Nhiều tàu đánh cá hoạt động gian trá ở vùng biển quốc tế, nơi có khoảng 37% tàu hoạt động không có AIS. So với các phương pháp công nghệ cao, đắt tiền như tuần tra bằng máy bay hoặc khảo sát vệ tinh, những con chim được gắn thẻ có vẻ là một lựa chọn rất kinh tế, Weimerskirch nói.

Bảo tồn loài

Trong số 22 loài hải âu lang thang trên các vùng biển của thế giới, có 8 loài đang bị đe dọa hoặc đang bị đe dọa nghiêm trọng, bao gồm cả loài hải âu Amsterdam. Một số trong những mối đe dọa liên quan đến sự tồn tại của chúng là những chiếc thuyền đánh cá mà chúng săn đuổi - đặc biệt các tàu sử dụng loại dây câu có móc kẹp chim và kéo chúng đến chết trong đau đớn. Weimerskirch nghi ngờ rằng ít nhất một vài con hải âu mà nhóm triển khai đã trở thành con mồi của những con tàu như vậy.

Các thí nghiệm của nhóm Weimerskirch cũng khó có thể khiến những con chim bị tổn hại: Thiết bị không làm thay đổi tuyến đường tự nhiên của chim và có thể dễ dàng được các nhà nghiên cứu loại bỏ hoặc rơi tự nhiên trong quá trình chim thay lông. Hơn nữa, dữ liệu mà những con hải âu thu thập được có thể giúp đội nghiên cứu ngăn chặn các cuộc "chạm trán" không mong muốn giữa tàu và chim biển. Để mở rộng phạm vi thu thập thông tin trên các đại dương mà hải âu thường không bay đến, nhóm nghiên cứu dự định sẽ sử dụng các loài lớn hơn, thường hay bay đến những vùng biển xa xôi. Có lẽ tất cả các vùng biển trên thế giới một ngày nào đó sẽ được theo dõi sát sao, ít nhất là nhờ vào "mắt chim". "Bản thân đó là một chiến thắng lớn để bảo tồn trên biển", Conners nói.

Tạo máy bay không người lái (drone) bay siêu xa

Các nhà khoa học dự định ứng dụng tuyệt chiêu bay 804 km không ngừng nghỉ của chim hải âu vào nghiên cứu drone (máy bay không người lái) chạy bằng năng lượng gió mục đích trinh sát biên giới, biển, hải đảo. Theo các nhà nghiên cứu, sở dĩ hải âu có thể bay quãng đường dài và tiêu hao rất ít năng lượng là do chúng biết cách sử dụng kỹ thuật mang tên là "dynamic soaring". Theo đó, kỹ thuật này cho phép chim hải âu có thể khai thác được năng lượng gió và sử dụng khi tốc độ gió lớn hơn 30 km/h.

Mới đây, các kỹ sư của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Mỹ đã ứng dụng bí mật bay tuyệt vời của loài chim hải âu để phát triển một mô hình động cơ bay có thể tối ưu hóa việc sử dụng và "thu hoạch" năng lượng gió nhiều nhất. Các nhà nghiên cứu cho hay, mô hình mới này sẽ rất hữu ích cho việc hiểu hơn về kỹ thuật bay có thể thay đổi ra sao khi mà mô hình gió và khí hậu biến đổi. Điều này giúp ích nhiều cho việc thiết kế các drone và máy bay chạy bằng gió có thể được sử dụng để thực hiện những hành trình dài, nhiệm vụ theo dõi ở các khu vực hẻo lánh trên thế giới.

Gabriel Bousquet, một sinh viên cao học thuộc Khoa Kỹ thuật cơ khí của MIT cho hay, nghiên cứu này có thể là một bước tiến quan trọng cho việc viết các thuật toán cho robot để có thể sử dụng năng lượng gió. Nghiên cứu này có cảm hứng được lấy từ cuộc thi về kỹ thuật "dynamic soaring" giữa các đối thủ điều khiển máy bay trên đỉnh núi. Michael Triantafyllou, Giáo sư về kỹ thuật cơ khí và đại dương tại MIT, đồng thời là một trong những tác giả của nghiên cứu này cho biết: "Những chiếc máy bay không người lái có thể bay 804 km/h chỉ trong một lần bay, mà không hề cần tới bất kỳ dụng cụ hỗ trợ nào. Điều này có vẻ kỳ lạ và khiến nhiều người thắc mắc là làm thế nào để có thể tiếp tục bơm năng lượng từ những thứ tưởng chừng như không có gì". Theo đó, những chiếc drone này có khả năng tăng cường năng lượng nhờ những luồng gió khác nhau. Kỹ thuật này cho phép drone di chuyển và điều chỉnh hướng bay theo những khu vực có gió lớn và duy trì khả năng bay trong một quãng đường dài.

Ứng dụng kỹ thuật bay của chim hải âu vào những chiếc drone hứa hẹn sẽ mang lại bước tiến công nghệ đột phá và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu đột phá này được công bố trên tạp chí Interface.

Thử nghiệm máy bay cánh dài vỗ được như cánh chim

Với khả năng bay đường dài mà không tốn nhiều năng lượng, chim hải âu là nguồn cảm hứng lớn để các kỹ sư hàng không nghiên cứu cải thiện hiệu suất máy bay. Dựa trên cấu trúc cánh đặc biệt của loài chim biển này, Hãng Airbus vào năm 2019 đã bắt tay phát triển AlbatrossONE với thiết kế đầu cánh có khớp nối, cho phép chuyển động linh hoạt khi gặp gió mạnh.

"Chim hải âu khóa khớp cánh ở vai để di chuyển đường dài, nhưng khi gặp gió giật, chúng có thể mở khóa khớp để điều hướng gió", trưởng nhóm dự án Tom Wilson mô tả. "Đầu cánh của AlbatrossONE cũng hoạt động theo cơ chế tương tự". So với phiên bản thử nghiệm đầu tiên vào năm ngoái, mô hình thứ hai có phần đầu cánh dài hơn 75%. Theo kỹ sư trưởng James Kirk, thiết kế đầu cánh đặc biệt cho phép máy bay lướt qua gió giật mà không truyền tải trọng uốn sang cánh chính, điều này có nghĩa là Airbus cần ít vật liệu hơn để gia cố cánh máy bay và do đó, làm giảm trọng lượng của phương tiện.

Ngoài ra, chiều dài đầu cánh cũng có thể được mở rộng mà không làm tăng thêm trọng lượng của cánh vì tải trọng phụ từ đầu cánh không truyền sang cánh chính. Sự mở rộng đáng kể về sải cánh với tác động tối thiểu lên trọng lượng sẽ làm giảm lực cản, dẫn đến giảm nhiên liệu đốt và lượng khí thải CO₂. Lực cản do lực nâng gây ra chiếm khoảng 40% tổng lực cản của máy bay, nhưng con số này sẽ giảm khi chiều dài sải cánh tăng lên, Airbus giải thích.

"Vẫn còn rất nhiều công việc kỹ thuật cần hoàn thiện trước khi chúng tôi có thể chứng minh AlbatrossONE là một sản phẩm khả thi. Nhóm dự án muốn đạt được mục tiêu này để truyền cảm hứng cho các kỹ sư khác hiện thực hóa ý tưởng đầy tham vọng về máy bay tương lai", James chia sẻ.