Der Flug der Libellenroboter

Das US-Militär hofft, eines Tages winzige Flugroboter, ausgestattet mit Kameras und Sensoren, zur Überwachung einsetzen zu können. Aber solche Roboter müssten in der Lage sein, Hindernisse zu umgehen, Gewicht zu tragen und effizient genug zu sein, um über lange Zeiträume zu fliegen. Eine Gruppe von Forschern glaubt, dass der Schlüssel zu einem solchen Roboter in der Libelle liegen könnte.

Flügel schlagen: Wissenschaftler der Universität Ulm verwendeten eine Roboterlibelle – etwa 10 Zentimeter groß –, die in Flüssigkeit getaucht war, um die Luftkräfte um die Schlagflügel der Libelle zu messen. Die grünen Linien um den Motor sind Laser, die von Luftblasen reflektiert werden und die von den Flügeln erzeugten aerodynamischen Auftriebskräfte anzeigen.

Libellen sind eine der wenigen Kreaturen, die zum Fliegen vier unabhängig voneinander gesteuerte Flügel verwenden, die es ihnen ermöglichen, zu schweben, zu fliegen, zu gleiten, sich rückwärts zu bewegen und die Richtung schnell zu ändern. Um solche Fähigkeiten zu verstehen, haben Wissenschaftler des Royal Veterinary College in England und der Universität Ulm in Deutschland eine Roboterlibelle entwickelt, um die Stromflüsse über und unter den Flügeln bei verschiedenen Klappenzyklen zu messen. Während die meisten Schwebeflugszenarien der Libelle nicht effizient waren, stellte das Team fest, dass, wenn die unteren Flügel leicht vor den oberen Flügeln schlagen, sich der doppelte Flügelsatz bei der Erzeugung von Auftrieb als effizienter erweist und 22 Prozent weniger Kraft benötigt, um das gleiche Gewicht zu heben als einzelnes Paar.



Der einzige Vorteil, den Sie mit vier Flügeln haben, ist die Manövrierfähigkeit und die Fähigkeit, Dinge aus der Luft zu holen und zu schweben und herumzuflitzen, sagt Jonathan How , ein Professor am MIT, der an fliegenden Robotern arbeitet, aber nicht am Libellenprojekt beteiligt war. Es wäre wirklich erstaunlich, wenn wir etwas bauen könnten, das auch nur annähernd dieses Leistungsniveau erreicht. Wenn Sie den gleichen Hub mit geringerer Leistung erzielen können, ist dies hilfreich.

Trotz ihrer potenziellen Vorteile wurden kleine Flugroboter, die die Beweglichkeit von Libellen nachahmen, nicht erfolgreich hergestellt, zum Teil aufgrund der Komplexität der Aerodynamik um vier Flügel und auch aufgrund von Herstellungsproblemen, die mit kleinen Flugmaschinen verbunden sind. Studien zu Flügelbewegungen und Luftstreitkräften, die zeigen, wie Libellen ihre Agilität erreichen, könnten es Robotikern jedoch ermöglichen, schließlich fähige, schnelle Flieger mit vier Flügeln zu bauen.

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  • Beobachten Sie die Flügelbewegung einer Roboterlibelle, wenn sie in Öl eingetaucht ist.

Um die Luftströmungen zu messen, tauchten die Ulmer Forscher die Roboterlibelle in einen mit Mineralöl gefüllten und mit Luftblasen gespickten Tank. Zwei grüne Laser kombinierten und reflektierten von den Luftblasen, während eine Hochgeschwindigkeitskamera Bilder im Abstand von 10 bis 20 Millisekunden aufnahm. Durch den Vergleich von Bildern berechneten die Wissenschaftler die Strömungsrichtung für Regionen innerhalb des Tanks.

In Bezug auf vierflügelige gegenüber zweiflügeligen Systemen für ein biomimetisches Mikroluftfahrzeug ist dies ein Kompromiss, sagt Fritz-Olaf Lehmann , ein Forscher der Universität Ulm, der an der Studie mitgearbeitet hat. Bei einem Vierflügelsystem sind die Nachteile die Notwendigkeit einer zusätzlichen Steuerung und zusätzlicher Leistung. Ein System mit zwei Flügeln muss jedoch Möglichkeiten enthalten, den Winkel, die Amplitude und die Frequenz des Flügelschlags zu ändern, um den Auftrieb zu ändern, sagt Lehmann. Umgekehrt kann man mit vier Flügeln einfach ein Flugsystem gegen das andere vorschieben und dann die Auftriebsproduktion ändern, sagt er. Ich denke, das macht den Bau eines Mikroluftfahrzeugs viel einfacher.

Bei der Entwicklung eines autonomen Mikroluftfahrzeugs zählt jedes bisschen Effizienz, sagt Robert Wood , einem Professor an der Harvard University , der einige der kleinsten Flugroboter entwickelt hat . Sie könnten argumentieren, dass Sie mit einem vierflügeligen Fahrzeug mehr [Kontrolle] haben, um Sie bei der Stabilisierung zu unterstützen, sagt er.

Michael Dickinson , ein Professor am Caltech, der sich mit dem Verständnis und der Nachahmung des Fliegenflugs beschäftigt, sagt, dass das Interesse an Libellen wächst und das Lehmann-Papier nicht das erste ist, das diese Art von Analyse enthält, sondern eines in einer Flut von Papieren. Während die Studie zum Verständnis der subtilen Aerodynamik des Vierflügelflugs beitragen könnte, weist Dickinson darauf hin, dass die Forscher noch eine bessere, leichtere Batterie entwickeln müssen, die das Fahrzeug antreibt und ein effektives Kontrollsystem bildet.

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