Neue Studie: bioinspirierte Flügel mit Dehnungssensoren erreichen 99%ige Genauigkeit bei Windsensorik

BerlinForscher des Institute of Science Tokyo unter der Leitung von außerordentlichem Professor Hiroto Tanaka haben einen bedeutenden Fortschritt in der Windsensortechnologie erzielt. Inspiriert durch das natürliche Design von Vogel- und Insektenflügeln, verwendeten sie Dehnungssensoren auf flexiblen, flatternden Flügeln, um die Windrichtung mit bemerkenswerter Genauigkeit zu erkennen. Mit sieben Dehnungssensoren auf den Flügeln konnte diese Methode die Windrichtung in 99 % der Fälle präzise bestimmen. Die in der Fachzeitschrift Advanced Intelligent Systems veröffentlichte Studie zeigt das Potenzial biomimetischer Designs in robotischen Flugsystemen auf.

Der Prozess umfasste:

Verwendung einer flexiblen Flügelstruktur, die den Flügeln von Kolibris nachempfunden ist. Anbringung von sieben kommerziellen Dehnungsmessstreifen an diesen Flügeln. Simulation von Flugbedingungen in einem Windkanal mit schwachem Windstrom von 0,8 m/s. Einsatz eines CNN-Modells zur Klassifizierung der Windrichtung basierend auf Dehnungsdaten.

Die Flügel wurden mit verjüngten Schäften konstruiert, die die Flügelfolie ähnlich wie bei echten Flügeln stützen. Ein Gleichstrommotor erzeugte die Schlagbewegung mit 12 Zyklen pro Sekunde. Die aus diesen Schlägen gesammelten Spannungsdaten zeigten, dass das System die Windrichtung mit einer Genauigkeit von 99,5 % unter Verwendung eines vollständigen Schlagzyklus bestimmen konnte.

Selbst bei extrem kurzen Zyklen von 0,2 Einheiten blieb die Genauigkeit über 85%. Bei Verwendung nur einer Dehnungsmessstreifen war die Genauigkeit immer noch beeindruckend, sie lag zwischen 95,2% und 98,8% für einen gesamten Zyklus. Jedoch sank die Genauigkeit deutlich bei kürzeren Datenlängen. Das Entfernen von Teilen des Flügels verringerte die Genauigkeit, allerdings fiel der Rückgang geringer aus, wenn mehr Daten genutzt wurden.

Forscher deuten darauf hin, dass Vögel möglicherweise ähnliche Methoden nutzen, um ihre Umgebung im Flug zu verstehen. Diese Technik könnte die Konstruktion von kleinen, leichten Flugdrohnen verbessern, indem sie diesen ermöglicht, Windbedingungen ohne schwere Ausrüstung wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Mit einfacher und kostengünstiger Technologie könnten diese Drohnen fortschrittliche Navigation und Stabilität erreichen.

Methodik und Ergebnisse

Die Forscher am Institut für Wissenschaft in Tokio haben eine innovative Methode entwickelt, um die Windrichtung mit flexiblen, schlagenden Flügeln zu erkennen. Sie ließen sich von Vögeln und Insekten inspirieren, die natürliche Dehnungssensoren an ihren Flügeln haben. Um dies nachzubilden, nutzten sie sieben Dehnungsmessstreifen auf künstlichen Flügeln, die mit einem neuronalen Netzwerkmodell verbunden sind. So haben sie es gemacht:

Messflügel imitieren Kolibris: Messungen im Windkanal

An flexible Flügel, die Kolibris nachahmen, wurden Dehnungsmessstreifen angebracht. Ein Windkanal simulierte sanfte Windverhältnisse. Verschiedene Windwinkel, von null bis neunzig Grad, sowie ein windloser Zustand wurden getestet. Die gesammelten Dehnungsdaten der Flügel wurden mit einem Faltungsneuronalen Netz analysiert.

Die Ergebnisse zeigten eine beeindruckende Genauigkeit. Mit einem vollständigen Zyklus von Flügelschlagdaten erreichten sie eine Genauigkeit von 99,5 % bei der Erkennung der Windrichtung. Selbst mit nur 0,2 Zyklen blieb die Genauigkeit hoch bei 85,2 %. Diese Befunde weisen darauf hin, dass eine Echtzeit-Winderkennung auch mit minimalen Daten möglich ist. Die Flügel wurden zudem mit einem Schubkurbelmechanismus betrieben, der eine kontrollierte Bewegung ermöglichte.

Zusätzlich zeigte die Untersuchung, dass die inneren Flügelstrukturen die Sensorleistung verbessern. Wurden diese Strukturen entfernt, sank die Genauigkeit leicht. Dies deutet darauf hin, dass das Flügeldesign eine wesentliche Rolle bei den Sensoreigenschaften spielt. Insgesamt zeigt die Studie, dass einfache Dehnungsmessstreifen sperrige Sensoren in kleinen Flugrobotern potenziell ersetzen können. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da herkömmliche Sensoren oft zu schwer oder zu groß für derartige Anwendungen sind.

Forschung zeigt, wie künstliche Flügel die natürlichen Windwahrnehmungsfähigkeiten von Vögeln nachahmen können. Dadurch wird es möglich, dass Roboter unter verschiedenen Windverhältnissen effizienter und anpassungsfähiger fliegen. Die eingesetzten Methoden sind sowohl kostengünstig als auch für reale Anwendungen in der Robotik praktikabel. Die Ergebnisse könnten den Weg für verbesserte Steuersysteme bei Drohnen mit schlagenden Flügeln ebnen.

Auswirkungen auf die Robotik

Biomimetische Flügel mit integrierten Dehnungssensoren versprechen große Fortschritte für die Robotik der Zukunft. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten zur Entwicklung effizienterer und anpassungsfähigerer Flugroboter. Zu den Hauptvorteilen dieser innovativen Windsensorik gehören:

• Gesteigerte Präzision in der Flugsteuerung
• Verringertes Erfordernis für sperrige Sensoren und Elektronik
• Verbesserte Anpassungsfähigkeit an wechselnde Umweltbedingungen

Integration von Dehnungssensoren in flexible Flügel, die Vögel und Insekten nachahmen, revolutioniert die Robotik. Durch das Studium und die Imitation natürlicher Mechanismen können Ingenieure Herausforderungen in Bezug auf Gewicht und Komplexität bei der Entwicklung kleiner Flugroboter überwinden. Diese Methode ermöglicht es den Robotern, Windverhältnisse direkt zu erfassen, ohne zusätzliches Equipment zu benötigen, was das Gewicht reduziert und entscheidend für die Flugleistung ist.

Roboter mit diesen fortschrittlichen Flügeln könnten städtische Umgebungen leichter durchqueren, indem sie sich an unerwartete Änderungen der Windverhältnisse anpassen. Die präzise Erfassung der Windrichtung hilft Drohnen, stabile Flugbahnen beizubehalten, was für Lieferdienste und Such- und Rettungseinsätze entscheidend ist. Darüber hinaus kann die Fähigkeit, Luftströmungsänderungen schnell zu erkennen und darauf zu reagieren, die Batterielebensdauer verlängern, indem die Energienutzung während des Fluges optimiert wird.

Die Anpassungsfähigkeit, die in der Studie gezeigt wurde, deutet auf praktische Anwendungen über die bloße Navigation hinaus hin. Biomimetische Flügel könnten auch für Drohnen zur Überwachung und Umwelt-Datenerfassung nützlich sein. Da diese kleinen Roboter mithilfe von Flügelsensoren ihre Umgebung besser verstehen, könnten sie autonomer werden und weniger Eingriffe durch den Bediener erfordern. Dies würde zudem ihre Effektivität bei Aufgaben wie der Bewertung der Luftqualität oder der Nachverfolgung von Tierwanderungen erhöhen.

Die Integration von Dehnungssensoren in biomimetische Schlagflügel könnte einen revolutionären Fortschritt für die Robotik bedeuten. Dies eröffnet eine natürlichere und effizientere Methode zur präzisen Erfassung von Wind und ebnet den Weg für intelligentere, leichtere und reaktionsfreudigere Luftroboter.