Ali flessibili ispirate alla natura: precisione del 99% nel rilevare il vento con strain gauge

RomeRicercatori dell'Istituto di Scienza di Tokyo, sotto la guida del professore associato Hiroto Tanaka, hanno fatto un importante progresso nella tecnologia di rilevamento del vento. Ispirati dalla struttura naturale delle ali di uccelli e insetti, hanno utilizzato sensori di deformazione su ali flessibili e battenti per rilevare la direzione del vento con notevole precisione. Impiegando sette sensori di deformazione posizionati sulle ali, questa tecnica è riuscita a determinare con esattezza la direzione del vento nel 99% dei casi. Lo studio, pubblicato su Advanced Intelligent Systems, mette in luce il potenziale dell'uso di design biomimetici nei sistemi di volo robotico.

Il procedimento comprende:

Sfruttando una struttura alare flessibile che imita le ali dei colibrì, sono stati applicati sette estensimetri commerciali su queste ali. In condizioni di volo simulate, con flusso d'aria debole a 0,8 m/s all'interno di una galleria del vento, è stato utilizzato un modello CNN per classificare la direzione del vento basandosi sui dati di deformazione.

Le ali sono state progettate con alberi rastremati che sostenevano il film dell'ala, simili alle ali vere. Un motore DC alimentava il movimento di battito a 12 cicli al secondo. I dati di deformazione raccolti da questi movimenti hanno dimostrato che il sistema è in grado di individuare la direzione del vento con un'accuratezza del 99,5% utilizzando un ciclo completo di battito.

Cicli ancora più brevi, come 0,2 di un ciclo, hanno mantenuto un'accuratezza superiore all'85%. Utilizzando un solo estensimetro, l'accuratezza si è mantenuta notevole, tra il 95,2% e il 98,8% per un ciclo completo. Tuttavia, l'accuratezza è calata notevolmente con dati di lunghezza minore. Rimuovendo parti dell'ala interna, l'accuratezza è diminuita, ma in misura minore quando si disponeva di un maggior numero di dati.

Tecniche naturali ispirano l'innovazione nei mini-robot volanti

Questa ricerca suggerisce che gli uccelli potrebbero usare metodi simili per interpretare l'ambiente durante il volo. Tale tecnica potrebbe migliorare il design di piccoli robot aerei leggeri, permettendo loro di percepire e reagire alle condizioni del vento senza l'uso di attrezzature pesanti. Utilizzando tecnologia semplice ed economica, questi robot potrebbero ottenere navigazione e stabilità avanzate.

Metodologia e risultati

I ricercatori dell'Istituto di Scienze di Tokyo hanno sviluppato un metodo innovativo per rilevare la direzione del vento utilizzando ali flessibili che sbattono. Ispirandosi a uccelli e insetti, che possiedono sensori naturali di tensione sulle ali, hanno ricreato questo fenomeno utilizzando sette estensimetri applicati su ali artificiali, collegati a un modello di rete neurale. Ecco come ci sono riusciti.

• Installato dei sensori di deformazione sulle ali flessibili che imitano il movimento dei colibrì.
• Utilizzato una galleria del vento per simulare condizioni di vento leggero.
• Sperimentato diversi angoli di vento, da zero a novanta gradi, includendo anche una situazione senza vento.
• Raccolto dati sulla deformazione delle ali e analizzati tramite una rete neurale convoluzionale.

Risultati straordinari nell'accertamento della direzione del vento

I risultati hanno dimostrato un'accuratezza sorprendente. Con un ciclo completo di dati sul battito delle ali, hanno raggiunto un'accuratezza del 99,5% nel rilevare la direzione del vento. Anche con solo 0,2 cicli, l'accuratezza era ancora elevata all'85,2%. Questi risultati suggeriscono che il rilevamento del vento in tempo reale è possibile anche con dati minimi. Hanno inoltre operato le ali con un meccanismo a giogo di Scotch che ha permesso un controllo del battito.

Inoltre, i test hanno dimostrato che le strutture interne delle ali migliorano le prestazioni dei sensori. Quando queste strutture vengono rimosse, la precisione diminuisce leggermente. Ciò suggerisce che il design delle ali ha un ruolo fondamentale nelle capacità di rilevamento. Complessivamente, lo studio indica che semplici estensimetri possono potenzialmente sostituire i sensori ingombranti nei piccoli robot volanti. Si tratta di un miglioramento significativo, poiché i sensori tradizionali sono spesso troppo pesanti o grandi per applicazioni simili.

Ali di nuova concezione possono imitare la capacità degli uccelli di rilevare il vento, migliorando il volo dei robot in diverse condizioni atmosferiche. Questi sistemi risultano economici e applicabili nel mondo reale, facilitando lo sviluppo di droni con controllo avanzato e maggiore efficienza.

Implicazioni per la robotica

Le ali battenti biomimetiche con sensori di deformazione integrati hanno grandi potenzialità per il futuro della robotica. Questa tecnologia apre nuove possibilità per lo sviluppo di robot volanti più efficienti e adattabili. I principali vantaggi dell'implementazione di questi metodi innovativi di rilevamento del vento includono:

• Maggiore precisione nel controllo del volo
• Minore necessità di ingombranti sensori ed elettronica
• Migliore adattabilità alle condizioni ambientali variabili

L'integrazione di sensori di deformazione nelle ali flessibili che imitano uccelli e insetti rappresenta un cambiamento nel modo in cui concepiamo i progetti robotici. Imparando e imitando i meccanismi naturali, gli ingegneri possono risolvere i problemi di peso e complessità che hanno ostacolato lo sviluppo di piccoli robot aerei. Questo approccio consente ai robot di percepire direttamente le condizioni del vento senza attrezzature aggiuntive, riducendo il peso e migliorando l'efficienza del volo.

Robot dotati di ali avanzate potrebbero navigare più facilmente negli ambienti urbani, adattandosi a cambiamenti inaspettati nei modelli di vento. La precisione nel rilevare la direzione del vento aiuta i droni a mantenere traiettorie di volo stabili, essenziali per i servizi di consegna e le operazioni di soccorso. Inoltre, la capacità di valutare rapidamente e rispondere alle variazioni del flusso d’aria può prolungare la durata della batteria ottimizzando l’uso dell’energia durante il volo.

La capacità di adattamento evidenziata nello studio suggerisce applicazioni pratiche che vanno oltre la semplice navigazione. Le ali biomimetiche possono essere utili anche nei droni per il monitoraggio e la raccolta di dati ambientali. Grazie alla percezione della sollecitazione delle ali, questi piccoli robot possono comprendere meglio il loro ambiente, diventando così più autonomi e necessitando di meno intervento da parte degli operatori. Ciò migliorerebbe anche la loro efficacia in compiti come la valutazione della qualità dell'aria o il monitoraggio delle migrazioni della fauna selvatica.

Integrare sensori di sforzo nelle ali battenti biomimetiche potrebbe rappresentare un passo rivoluzionario nel campo della robotica. Questa innovazione non solo offre un metodo più naturale ed efficiente per il rilevamento preciso del vento, ma apre anche la strada a robot aerei più intelligenti, leggeri e reattivi.