Nowe odkrycie: biomimetyczne skrzydła osiągają 99% dokładności pomiaru wiatru dzięki czujnikom tensometrycznym

WarsawNaukowcy z Instytutu Nauk w Tokio, kierowani przez profesora Hiroto Tanakę, dokonali znaczącego przełomu w technologii wykrywania wiatru. Zainspirowani naturalną budową skrzydeł ptaków i owadów, zastosowali czujniki naprężeń na elastycznych, poruszających się skrzydłach, aby z niezwykłą precyzją określać kierunek wiatru. Dzięki siedmiu czujnikom umieszczonym na skrzydłach, metoda ta potrafiła trafnie określić kierunek wiatru w 99% przypadków. Badanie opublikowane w czasopiśmie Advanced Intelligent Systems podkreśla potencjał biomimetycznych projektów w systemach lotu robotycznego.

Proces obejmował:

• Wykorzystanie elastycznej struktury skrzydeł naśladującej skrzydła kolibra.
• Zamontowanie siedmiu komercyjnych tensometrów na tych skrzydłach.
• Symulacja warunków lotu w tunelu aerodynamicznym z łagodnym przepływem powietrza o prędkości 0,8 m/s.
• Wykorzystanie modelu CNN do klasyfikacji kierunku wiatru na podstawie danych z tensometrów.

Skrzydła zostały zaprojektowane z zastosowaniem stożkowych trzpieni, które wspierały błonę skrzydła, na wzór prawdziwych skrzydeł. Ruch trzepoczący napędzał silnik prądu stałego z częstotliwością 12 cykli na sekundę. Dane dotyczące naprężeń zebrane z tych ruchów wykazały, że system mógł określić kierunek wiatru z dokładnością 99,5% korzystając z pełnego cyklu trzepotania.

Nawet w przypadku bardzo krótkich cykli, jak 0,2 cyklu, udało się utrzymać dokładność na poziomie ponad 85%. Gdy używano tylko jednego tensometru, dokładność pozostawała na imponującym poziomie, od 95,2% do 98,8% dla pełnego cyklu. Jednak krótsze długości danych prowadziły do znacznego spadku dokładności. Usunięcie części wewnętrznego skrzydła wpłynęło na obniżenie dokładności, lecz w mniejszym stopniu, gdy analizowano większe ilości danych.

Badania sugerują, że ptaki mogą wykorzystywać podobne metody do analizy swojego otoczenia w trakcie lotu. Taka technika mogłaby przyczynić się do ulepszenia projektowania małych, lekkich robotów powietrznych, umożliwiając im wykrywanie i reagowanie na warunki wietrzne bez konieczności użycia ciężkiego sprzętu. Dzięki prostej i opłacalnej technologii te roboty mogą potencjalnie osiągnąć zaawansowaną nawigację i stabilność.

Metodologia i wyniki

Badacze z Instytutu Nauki w Tokio opracowali innowacyjną metodę wykrywania kierunku wiatru za pomocą elastycznych skrzydeł. Inspirację czerpali z ptaków i owadów, które mają naturalne czujniki naprężeniowe na swoich skrzydłach. Aby to odtworzyć, zamontowali siedem czujników naprężenia na sztucznych skrzydłach, które połączyli z modelem sieci neuronowej.

• Zamontowano tensometry na elastycznych skrzydłach, wzorowanych na kolibrach.
• Wykorzystano tunel aerodynamiczny do symulacji łagodnych warunków wietrznych.
• Przetestowano różne kąty wiatru, od zera do dziewięćdziesięciu stopni, oraz sytuację bez wiatru.
• Zebrano dane o naprężeniu skrzydeł i przeanalizowano je przy użyciu sieci neuronowej konwolucyjnej.

Wyniki badań wykazały imponującą dokładność. Przy pełnym cyklu trzepotania skrzydeł osiągnięto 99,5% dokładności w wykrywaniu kierunku wiatru. Nawet przy zaledwie 0,2 cykla dokładność była nadal wysoka i wynosiła 85,2%. Odkrycia te sugerują, że możliwa jest detekcja wiatru w czasie rzeczywistym nawet przy minimalnej ilości danych. Do poruszania skrzydeł użyto mechanizmu przeciwwstrząsowego, co zapewniło kontrolowane trzepotanie.

Dodatkowo, badania wykazały, że wewnętrzne struktury skrzydeł poprawiają działanie sensorów. Po ich usunięciu dokładność nieco spadła, co sugeruje, że konstrukcja skrzydła odgrywa istotną rolę w zdolnościach sensorycznych. Ogólnie rzecz biorąc, badanie wskazuje, że proste czujniki tensometryczne mogą potencjalnie zastąpić masywne sensory w małych latających robotach. Jest to znaczące ulepszenie, ponieważ tradycyjne czujniki są często zbyt ciężkie lub duże do takich zastosowań.

Badania wskazują, że skrzydła inżynieryjne mogą naśladować naturalną zdolność ptaków do wykrywania wiatru. Może to ulepszyć sposób, w jaki roboty latają w różnych warunkach wiatrowych, czyniąc je bardziej adaptacyjnymi i wydajnymi. Zastosowane metody są zarówno ekonomiczne, jak i praktyczne w zastosowaniach robotycznych w rzeczywistych warunkach. Wyniki mogą otworzyć drogę do zaawansowanych systemów sterowania w dronach z machającymi skrzydłami.

Implikacje dla robotyki

Biomimetyczne skrzydła machające z wbudowanymi czujnikami naprężenia mają ogromne znaczenie dla przyszłości robotyki. Ta technologia stwarza nowe możliwości w opracowywaniu bardziej wydajnych i elastycznych robotów powietrznych. Kluczowe zalety wprowadzenia tych innowacyjnych metod pomiaru wiatru obejmują:

• Zwiększona precyzja w sterowaniu lotem
• Zmniejszone zapotrzebowanie na duże czujniki i elektronikę
• Lepsza zdolność dostosowywania się do zmieniających się warunków środowiskowych

Integracja czujników naprężeń w elastyczne skrzydła naśladujące te u ptaków i owadów oznacza zmianę w podejściu do projektowania robotów. Dzięki zrozumieniu i naśladowaniu mechanizmów natury, inżynierowie mogą rozwiązywać problemy związane z wagą i złożonością, które hamowały rozwój małych robotów powietrznych. Takie podejście umożliwia robotom bezpośrednie wykrywanie warunków wiatrowych bez dodatkowego sprzętu, co zmniejsza wagę, co jest kluczowe dla utrzymania efektywności lotu.

Roboty z zaawansowanymi skrzydłami mogą łatwiej poruszać się po miejskich przestrzeniach, szybko dostosowując się do nieprzewidywalnych zmian wiatru. Dokładne wykrywanie kierunku wiatru pomoże dronom utrzymać stabilny tor lotu, co jest kluczowe dla usług dostawczych i operacji poszukiwawczo-ratowniczych. Ponadto, umiejętność szybkiego reagowania na zmiany przepływu powietrza pozwala wydłużyć czas pracy baterii przez optymalizację użycia energii w trakcie lotu.

Elastyczność pokazana w badaniu wskazuje na praktyczne zastosowania wykraczające poza samą nawigację. Biomimetyczne skrzydła mogą być również używane w dronach monitorujących środowisko i zbierających dane. Dzięki zdolności do lepszego rozumienia otoczenia poprzez czujniki naprężeń skrzydeł, takie roboty mogą stać się bardziej autonomiczne, wymagając mniej interwencji operatora. To zwiększyłoby ich skuteczność w zadaniach takich jak ocena jakości powietrza czy śledzenie migracji dzikich zwierząt.

Wprowadzenie czujników odkształceń do biomimetycznych skrzydeł machających może stanowić rewolucyjny krok w dziedzinie robotyki. Taki zabieg pozwala na bardziej naturalne i skuteczne wykrywanie wiatru, a także otwiera nowe możliwości do tworzenia inteligentniejszych, lżejszych i bardziej reaktywnych robotów latających.