For at forbedre droner, forskere studerer flyvende insekter

Det ubemandede fly kendt som droner, bruges af hobbyfolk, forskere og industri til at tage luftbilleder og udføre andre opgaver, bliver stadig mere populære – og mindre. Men den miniaturisering, som har produceret droner, der passer i en persons håndflade, er begyndt at støde ind i fysikkens love.

Snurrende rotorblade som dem på en helikopter kan kun reduceres så meget, før luftfriktionen overhaler løftekraften, får de små motorer til at overophedes og svigte. Det er derfor, ingeniører, i et forsøg på at udvikle bittesmå droner, der en dag kunne overvåge naturgasrørledninger for lækager eller endda pile blandt blomster for at hjælpe med at bestøve afgrøder, er i stigende grad interesseret i svævende insekters flagrende vingeflugt.

Naturen har foreslået, hvad videnskabsmænd begynder at forstå i teorien:"Flappende vinger kan nedskalere næsten i det uendelige" og stadig producere tilstrækkelig løftekraft, sagde Mark Jankauski, assisterende professor ved Institut for Mekanisk og Industriel Teknik ved Montana State University's Norm Asbjornson College of Engineering.

Men at skabe kunstige versioner af insekternes indviklede design er en anden sag. Det er fordi den præcise mekanik af flaksende vinger forbliver dårligt forstået, ifølge Jankauski, der er specialiseret inden for området.

Nu, støttet af et treårigt tilskud på $370, 000 fra National Science Foundation, Jankauski leder et projekt for at kortlægge fysikken i flagrende flyvning på nye måder, herunder med mere effektive analytiske modeller, der dramatisk kunne forenkle processen med at designe vingerne.

"Der er stadig meget arbejde, der skal gøres, før (flapper med vinger) er en levedygtig teknologi til en applikation, " sagde Jankauski. "Dette er et springende punkt."

Jankauskis partner på projektet, MSU assisterende professor i maskinteknik Erick Johnson, har specialiseret sig i computermodeller, der simulerer, hvordan strukturer som vinger interagerer med væsker, inklusive luft. Fleksibel adfærd, flaksende vinger er ekstremt komplekst, han sagde.

"Mine modeller tager dage eller uger at køre" på en gennemsnitlig computer, sagde Johnson. Til sammenligning, de modeller, som forskerne udvikler, vil være "næsten øjeblikkelige, " han sagde, tilføjer, at "det er et fascinerende felt at være i."

At opnå det vil betyde at finde tilnærmelser til de komplicerede ligninger, som ellers ville blive knust af computermodellerne. At gøre det, Jankauski og Johnson vil foretage detaljerede målinger af faktiske flagrende vinger.

I deres laboratorium, forskerne har et apparat, der præcist kan bøje vingereplikaer for at skabe detaljerede geometriske kort over, hvordan vingerne reagerer på forskellige kræfter. De vil også eksperimentere med andre testrigge, der replikerer og måler flagrende insektflugt, ifølge Jankauski.

Til sidst, de nye modeller kunne give designere mulighed for at overveje tusindvis af mulige vingedesigns og få hurtig feedback om, hvilke der bedst ville tjene til at løfte og manøvrere små droner. Modellerne kunne også bruges til at hjælpe med at kontrollere dronernes flyvning ved at beregne, for eksempel, den nødvendige vingestigning eller klaphastighed, ifølge Jankauski.

Projektet vil også bidrage til et voksende videnskabsområde, der udforsker de ekstraordinære egenskaber ved biologiske flyvere mere generelt. "Der er et absolut væld af viden at opnå om verden gennem studiet af insekter og hvordan de interagerer med deres miljøer, " sagde Jankauski.