Detectarea direcției vântului de inspirație biologică folosind senzori de deformare pe aripi flexibile ar putea revoluționa strategia de control al zborului robotic. Cercetătorii de la Institutul de Științe din Tokyo au dezvoltat o metodă de detectare a direcției vântului cu o precizie de 99%, utilizând șapte tensiometre pe aripa care bate și un model de rețea neurală convoluțională. Această descoperire, inspirată de receptorii naturali de tensiune ai păsărilor și insectelor, deschide noi posibilități de îmbunătățire a controlului și adaptabilității roboților aerieni cu aripi batante în condiții de vânt variabile.
Insectele și păsările zburătoare posedă pe aripi receptori care colectează date senzoriale de deformare, ajutându-le la controlul zborului. Este posibil ca acești receptori să detecteze modificări ale vântului, ale mișcărilor corpului și ale condițiilor de mediu, permițând ajustări în timpul zborului. Inspirați de această aripă naturală cu receptori de deformare, cercetătorii explorează modul în care senzorii de deformare ai aripii ar putea extrage informații despre fluxul din jur cu ajutorul unui robot biomimetic care bate din aripi.
Într-un studiu publicat în Advanced Intelligent Systems, cercetătorii de la Institutul de Științe din Tokyo, conduși de profesorul asociat Hiroto Tanaka, investighează utilizarea senzorilor de deformare pe aripile flexibile mimetice ale colibrilor pentru a detecta cu exactitate direcțiile fluxului în timpul fâlfâirii legate într-un tunel de vânt care simulează zborul suspendat în condiții de vânt blând. „Roboții zburători de mici dimensiuni nu își pot permite aparatele convenționale de detectare a fluxului de aer din cauza limitărilor severe de greutate și dimensiune. Prin urmare, ar fi benefic dacă simpla detectare a deformării aripilor ar putea fi utilizată pentru a recunoaște direct condițiile de curgere fără dispozitive dedicate suplimentare”, explică Tanaka.
Cercetătorii au atașat șapte tensiometre, care sunt elemente comerciale low-cost utilizate pe scară largă, la o structură de aripă flexibilă care imită aripile colibrilor. Aceste aripi erau compuse din arbori conici care susțineau folii de aripă similare cu structura aripilor naturale. Aripile au fost atașate la un mecanism de bătaie acționat de un motor de curent continuu prin intermediul unui mecanism special și al unor reductoare, care a generat o mișcare de bătaie înainte și înapoi, la o rată de 12 cicluri pe secundă. Cercetătorii au utilizat mecanismul într-un curent foarte slab, de 0,8 m/s, într-un tunel aerodinamic. Întinderea aripii a fost măsurată în timpul fâlfâitului în șapte direcții diferite ale vântului (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° și 90°) și într-o condiție fără vânt. Un model de rețea neuronală convoluțională (CNN) a fost utilizat pentru învățarea automată a datelor de deformare pentru a clasifica aceste condiții de vânt. S-a obținut o precizie ridicată de clasificare de 99,5% folosind datele de deformare cu durata unui ciclu de bătaie. Chiar și cu o lungime mai mică a datelor, de 0,2 cicluri de bătaie, precizia de măsurare a rămas ridicată la 85,2%. Folosind doar unul dintre tensiometre, acuratețea măsurării a fost, de asemenea, ridicată, variind de la 95,2% la 98,8% cu o lungime a datelor de un ciclu de bătaie, în timp ce acuratețea clasificării a scăzut drastic la 65,6% sau mai puțin cu datele scurte de 0,2 cicluri. Aceste rezultate sugerează că detectarea deformării aripilor în mai multe locații poate permite recunoașterea direcției vântului cu o precizie ridicată în doar 0,2 cicluri de bătaie.
„Acest studiu contribuie la înțelegerea crescândă a faptului că păsările și insectele care plutesc pot percepe vântul în mod sensibil prin detectarea tensiunii aripilor lor care bat, ceea ce ar fi benefic pentru controlul receptiv al zborului. Un sistem similar poate fi realizat în roboți aerieni biomimetic cu aripi batante, folosind instrumente simple de măsurare a tensiunii”, conchide Tanaka.
