Ny forskning: Biomimetiska flaxande vingar uppnår 99 % noggrannhet i vindsensorik med töjningssensorer

StockholmForskare vid Institutet för vetenskap i Tokyo, under ledning av biträdande professor Hiroto Tanaka, har gjort stora framsteg inom vindavkänningsteknologi. Inspirerade av den naturliga designen av fågel- och insektsvingar, använde de töjningssensorer på flexibla, fladdrande vingar för att med hög noggrannhet upptäcka vindriktning. Genom att placera sju töjningssensorer på vingarna kunde denna metod exakt bestämma vindriktningen 99% av tiden. Studien, publicerad i Advanced Intelligent Systems, understryker potentialen i att använda biomimetiska designer i robotsystem för flygning.

Processen omfattade:

Använda en flexibel vingstruktur som efterliknar kolibrivingar. Sätta fast sju kommersiella sträckgivare på dessa vingar. Simulera flygförhållanden i en vindtunnel med svag vind på 0,8 m/s. Använda en CNN-modell för att klassificera vindriktningen baserat på töjningsdata.

Vingarna var designade med avsmalnande axlar som stöttade vingfilmen, likt riktiga vingar. En likströmsmotor drev vingrörelsen med 12 slag per sekund. De insamlade data från dessa rörelser visade att systemet kunde identifiera vindriktningen med en noggrannhet på 99,5% genom att använda en full flappande cykel av data.

Även kortare cykler, till exempel 0,2 av en cykel, behöll över 85 % noggrannhet. När endast en töjningsgivare användes var noggrannheten fortfarande imponerande, mellan 95,2 % och 98,8 % för en hel cykel. Däremot minskade noggrannheten avsevärt för kortare datalängder. Att ta bort delar av den inre vingen minskade noggrannheten, men i mindre utsträckning när mer data användes.

Denna forskning antyder att fåglar kan använda liknande metoder för att förstå sin omgivning när de flyger. Denna teknik kan bidra till att förbättra designen av små, lätta flygrobotar genom att göra det möjligt för dem att känna av och anpassa sig till vindförhållanden utan tung utrustning. Med enkel och kostnadseffektiv teknik kan dessa robotar potentiellt uppnå avancerad navigering och stabilitet.

Metod och resultat

Forskare vid Institutet för Vetenskap i Tokyo har utvecklat en innovativ metod för att mäta vindriktning med hjälp av flexibla vingar som fladdrar. De inspirerades av fåglar och insekter som har naturliga sträcksensorer på sina vingar. För att återskapa detta använde de sju töjningsgivare på artificiella vingar, kopplade till en neuralt nätverksmodell. Så här gjorde de det:

Monterade töjningsgivare på flexibla vingar som efterliknar kolibrier. Använde en vindtunnel för att simulera milda vindförhållanden. Testade olika vindvinklar, från noll till nittio grader, samt en inställning utan vind. Samlade in vingbelastningsdata och analyserade den med ett konvolutionellt neuralt nätverk.

Resultaten visade imponerande noggrannhet. Med en hel cykel av vingslagdata uppnådde de 99,5 % träffsäkerhet i att upptäcka vindriktning. Även med bara 0,2 cykler var noggrannheten fortfarande stark med 85,2 %. Dessa resultat indikerar att realtidsdetektering av vind är möjlig även med minimal data. De använde också en Scotch-yoke-mekanism för att möjliggöra kontrollerad vingslagning.

Dessutom visade tester att de inre vingstrukturerna förbättrar prestandan hos sensorerna. När dessa strukturer avlägsnades, minskade noggrannheten något. Det tyder på att vingens design har en viktig roll i sensorernas effektivitet. Studien visar att enkla töjningssensorer kan ersätta stora och otympliga sensorer i små flygande robotar. Detta är en betydande förbättring eftersom traditionella sensorer ofta är för tunga eller stora för sådana tillämpningar.

Forskningen visar hur konstruerade vingar kan efterlikna fåglars naturliga förmåga att känna av vind. Detta kan förbättra hur robotar flyger under olika vindförhållanden, vilket gör dem mer anpassningsbara och effektiva. Metoderna som används är både kostnadseffektiva och praktiska för tillämpning i riktiga robotlösningar. Resultaten kan bana väg för avancerade styrsystem i drönare med flaxande vingar.

Implikationer för robotik

Biomimetiska vingar med inbyggda töjningssensorer har stora konsekvenser för framtidens robotik. Denna teknik öppnar nya möjligheter för att utveckla mer effektiva och anpassningsbara flygande robotar. Fördelarna med att införa dessa innovativa vindavkännande metoder är många:

• Förbättrad precision i flygkontroll
• Minskad behov av stora sensorer och elektronik
• Ökad anpassningsförmåga till förändrade miljöförhållanden

Integrationen av töjningssensorer i flexibla vingar som efterliknar fåglar och insekter innebär en ny syn på robotdesign. Genom att studera och efterlikna naturens sätt kan ingenjörer övervinna vikt- och komplexitetsproblem som har bromsat utvecklingen av små flygande robotar. Denna metod gör det möjligt för robotar att direkt uppfatta vindförhållanden utan extra utrustning, vilket minskar vikten och är avgörande för att bibehålla flygeffektiviteten.

Robotar med dessa avancerade vingar kan lättare navigera i stadsområden och anpassa sig till oväntade förändringar i vindmönster. Den exakta sensortekniken för att mäta vindriktning hjälper drönare att hålla stabila flygturer, vilket är avgörande för leveranstjänster och räddningsoperationer. Dessutom kan den snabba förmågan att bedöma och reagera på förändringar i luftflödet förlänga batteritiden genom att optimera energiförbrukningen under flygningen.

Anpassningsförmågan som framkom i studien visar praktiska användningsområden bortom ren navigation. Biomimetiska vingar kan även komma till nytta i drönare för miljöövervakning och datainsamling. Genom att dessa små robotar bättre kan förstå sin omgivning med hjälp av vingbelastningssensorer, kan de bli mer självständiga och kräva mindre ingripande från operatörer. Detta skulle dessutom öka deras effektivitet i uppgifter som att bedöma luftkvalitet eller att spåra djurlivets migration.

Att integrera töjningssensorer i biomimetiska fladdervingar kan bli ett banbrytande steg inom robotik. Detta erbjuder inte bara en mer naturlig och effektiv metod för exakt vindavkänning, utan banar också väg för smartare, lättare och mer responsiva flygrobotar.