Nieuwe biomimetische vleugels detecteren windrichting met 99% nauwkeurigheid dankzij rek- sensoren

AmsterdamOnderzoekers van het Institute of Science Tokyo, onder leiding van Associate Professor Hiroto Tanaka, hebben een grote vooruitgang geboekt in de technologie voor windsensoren. Geïnspireerd door het natuurlijke ontwerp van vogel- en insectenvleugels, gebruikten ze rekstrookjes op flexibele, klappende vleugels om windrichting opmerkelijk nauwkeurig te detecteren. Met zeven rekstrookjes op de vleugels kon deze methode in 99% van de gevallen de windrichting nauwkeurig bepalen. De studie, gepubliceerd in Advanced Intelligent Systems, benadrukt het potentieel van biomimetische ontwerpen in robotsystemen voor vliegen.

Het proces betrof:

Flexibele vleugelstructuren geïnspireerd door kolibrievleugels worden gebruikt. Op deze vleugels zijn zeven commerciële rekstrookjes bevestigd. In een windtunnel worden vliegomstandigheden gesimuleerd met een zwakke windstroom van 0,8 m/s. Een CNN-model wordt ingezet om op basis van rekgegevens de windrichting te classificeren.

De vleugels waren ontworpen met taps toelopende assen die het vleugelmembraan ondersteunden, vergelijkbaar met echte vleugels. Een gelijkstroommotor zorgde voor de fladderende beweging met 12 slagen per seconde. Uit de spanningmetingen van deze slagen bleek dat het systeem in staat was de windrichting met 99,5% nauwkeurigheid te bepalen met behulp van een volledige fladdercyclus aan gegevens.

Zelfs bij veel kortere cycli, zoals 0,2 van een cyclus, bleef de nauwkeurigheid boven de 85%. Wanneer slechts één rekstrookje werd gebruikt, bleef de nauwkeurigheid eveneens hoog, variërend van 95,2% tot 98,8% bij een volledige cyclus. Echter, bij kortere datalengtes nam de nauwkeurigheid aanzienlijk af. Het verwijderen van delen van de binnenvleugel verminderde de nauwkeurigheid, hoewel dit effect minder was wanneer er meer data beschikbaar was.

Dit onderzoek suggereert dat vogels vergelijkbare methoden gebruiken om hun omgeving tijdens de vlucht te begrijpen. Deze techniek kan bijdragen aan het verbeteren van het ontwerp van kleine, lichte luchtrobots door hen in staat te stellen windomstandigheden waar te nemen en erop te reageren zonder zware apparatuur. Met eenvoudige, kostenefficiënte technologie kunnen deze robots mogelijk geavanceerde navigatie en stabiliteit bereiken.

Methodologie en resultaten

Onderzoekers van het Institute of Science Tokyo hebben een innovatieve methode ontwikkeld om de windrichting te detecteren met behulp van flexibele vleugels. Ze lieten zich inspireren door vogels en insecten, die van nature spanningssensoren op hun vleugels hebben. Om dit na te bootsen, gebruikten ze zeven rekstrookjes op kunstmatige vleugels, die verbonden zijn met een neuraal netwerkmodel. Zo gingen ze te werk:

• Bevestigde rekstrookjes aan flexibele vleugels die kolibries imiteren.
• Gebruikten een windtunnel voor het nabootsen van zachte windomstandigheden.
• Testten verschillende windhoeken, variërend van nul tot negentig graden en ook zonder wind.
• Verzamelden vleugelspanningsdata en analyseerden deze met behulp van een convolutioneel neuraal netwerk.

De resultaten toonden een indrukwekkende nauwkeurigheid. Met een volledige cyclus van vleugelbewegingen bereikten ze een nauwkeurigheid van 99,5% bij het detecteren van windrichting. Zelfs met slechts 0,2 cycli bleef de nauwkeurigheid hoog op 85,2%. Deze bevindingen suggereren dat real-time winddetectie mogelijk is, zelfs met minimale gegevens. Ze gebruikten ook een Scotch yoke-mechanisme om de vleugels gecontroleerd te laten fladderen.

Bovendien toonde het onderzoek aan dat de interne vleugelstructuren de prestaties van sensoren verbeteren. Toen deze structuren werden verwijderd, nam de nauwkeurigheid iets af. Dit suggereert dat het ontwerp van de vleugel een aanzienlijke invloed heeft op de detectievermogen. De studie benadrukt dat eenvoudige rekstrookjes mogelijk de plaats kunnen innemen van grote sensoren in kleine vliegende robots. Dit is een belangrijke vooruitgang, aangezien traditionele sensoren vaak te zwaar of te groot zijn voor dit soort toepassingen.

Onderzoek toont aan dat kunstmatig ontworpen vleugels de natuurlijke winddetectiecapaciteiten van vogels kunnen nabootsen. Dit kan de wijze waarop robots in verschillende windomstandigheden vliegen verbeteren, waardoor ze aanpasbaarder en efficiënter worden. De toegepaste methoden zijn zowel kosteneffectief als toepasbaar voor robotica in de echte wereld. De bevindingen kunnen leiden tot geavanceerdere besturingssystemen in drones met klappende vleugels.

Implicaties voor robotica

Biomimetische vleugels met geïntegreerde spanningssensoren hebben grote gevolgen voor de toekomst van de robotica. Deze technologie biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van efficiëntere en aanpasbare vliegende robots. Belangrijke voordelen van het toepassen van deze innovatieve winddetectiemethoden zijn onder andere:

• Verbeterde precisie in de vluchtbesturing
• Minder noodzaak aan omvangrijke sensoren en elektronica
• Beter aangepast aan veranderende omgevingsfactoren

De integratie van rek sensoren in flexibele vleugels die vogels en insecten nabootsen, verandert onze kijk op robotontwerp. Door de natuurlijke mechanismen te begrijpen en na te bootsen, kunnen ingenieurs problemen oplossen met gewicht en complexiteit die de ontwikkeling van kleine vliegende robots hebben belemmerd. Deze aanpak stelt robots in staat om rechtstreeks windomstandigheden te detecteren zonder extra apparatuur, waardoor het gewicht wordt verminderd – cruciaal voor het behouden van vlieg efficiëntie.

Robots met geavanceerde vleugels kunnen gemakkelijker door stedelijke omgevingen navigeren door zich aan te passen aan onverwachte veranderingen in windpatronen. Nauwkeurige windrichtingdetectie helpt drones stabiel te vliegen, wat essentieel is voor bezorgdiensten en zoek- en reddingsoperaties. Bovendien kan een snelle reactie op luchtstroomveranderingen de batterijduur verlengen door het stroomverbruik tijdens de vlucht te optimaliseren.

De aanpassingsmogelijkheden die in het onderzoek aangetoond worden, bieden praktische toepassingen die verder gaan dan alleen navigatie. Biomimetische vleugels kunnen ook nuttig zijn voor drones die monitoren en milieugegevens verzamelen. Doordat deze kleine robots hun omgeving beter kunnen begrijpen via vleugelspanning-sensoren, worden ze autonomer en hebben ze minder ingrijpen van een operator nodig. Hierdoor kunnen ze effectiever worden ingezet bij taken zoals het beoordelen van luchtkwaliteit of het volgen van de migratie van wilde dieren.

Het integreren van rekgevoelige sensoren in biomimetische vleugels voor robots kan een baanbrekende ontwikkeling zijn binnen de robotica. Dit biedt niet alleen een natuurlijke en efficiënte manier om nauwkeurig wind te detecteren, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor slimmere, lichtere en meer responsieve vliegende robots.