Dronedesign stammer fra sommerfugleundersøgelser:Bølgende flyvning sparer monarker energi

I et fund, der kunne gavne dronedesign, prisvindende forskning udført af en ph.d.-studerende ved University of Alabama i Huntsville (UAH) viser, at monarksommerfugles bølgende flyveveje faktisk er mere energieffektive end en lige linje.

Madhu Sridhars papir vandt 2019 AIAA Atmospheric Flight Mechanics Graduate Student Paper Competition, og han blev præmieret ved 2020 AIAA SciTech Forum afholdt for nylig i Orlando, Fla. AIAA Scitech Forum er den største årlige rumfartskonference og fokuserer på forsknings- og teknologiresultater i rumfartssamfundet. AIAA SciTech Forum 2020 omfattede mere end 2, 500 tekniske præsentationer med over 5, 000 deltagere.

Sridhar modellerede og analyserede strømforbruget af monarksommerfugle, mens han arbejdede i UAH's Autonomous Tracking Optical Measurement (ATOM) Laboratory under Dr. Chang-kwon Kang, en lektor ved Institut for Mekanik og Rumfartsteknik, og Dr. Brian Landrum, en lektor og lektor for Institut for Maskin- og Luftfartsteknik. Forskningen blev støttet af midler fra National Science Foundation.

Konstateringen af, at en bølgende flyvebane forbrugte mindre energi, kan være værdifuld i det bio-inspirerede design af langdistance-robot-miniaturedroner.

"Et af de underliggende mål med vores undersøgelse er at udvikle en drone, der kan flyve lige så længe som en migrerende monark, " siger Sridhar. "Den årlige migration af monarksommerfugle er den længste blandt insekter. Det kan være 3, 000 kilometer lang! Selv de state-of-the-art droner kan ikke vise disse lange afstande."

Forskere brugte en forenklet analytisk sommerfuglemodel i undersøgelsen, med fokus på det dynamiske samspil mellem vingeaerodynamikken og kropsdynamikken, siger Sridhar, hvem er fra Bangalore, Indien.

"Dette papir viser, at denne model stemmer rimeligt overens med eksperimentelle data, " siger han. "Vi brugte bevægelsessporingskameraer til at optage en række flyvebaner og vinge- og kropsbevægelser af frit flyvende monarksommerfugle i vores ATOM Lab."

Hvis der er fordele ved den bølgende bane, som sommerfugle bruger, hvorfor bruger bier eller fluer det ikke?

"Denne undersøgelse viser, at de koordinerede vinge- og kropsbevægelser efter en ujævn bane kræver lavere kraft for en blafrende vinge på monarkskalaen, " siger han. "For mindre insekter reducerer denne kraftfordel, det er nok derfor, de flyver på en lige bane."

Om sommerfugle bruger et biologisk forudbestemt flyvemønster eller blot tilfældige bølger er et af mange spørgsmål til fremtidig forskning. Sridhar undersøger også, hvordan sommerfuglene vælger flyvehøjder.

"Monarker er kendt for at flyve i forskellige højder fra jordoverfladen langs deres migrationsrute, som vi finder meget interessant, " siger han. "Vi ved ikke, hvorfor de vælger at flyve højere i stedet for i jordhøjde."

I højere højder kan den reducerede lufttæthed gavne monarkflyvning, teoretiserer forskerne.

"Så, for at teste dette, vi har udført eksperimenter med monark sommerfugle inde i det store vakuumkammer på UAH Propulsion Research Center, hvor vi registrerede flyvningerne ved lavere lufttæthed op til 4, 000 meter over havets overflade, "Sridhar siger. "Dette hjælper os med at observere, hvordan deres vinge- og kropsbevægelser ændrer sig, når lufttætheden sænkes."

Derudover forskere bruger computersimuleringer til at undersøge, hvordan lavdensitetsluft påvirker monarkvingernes fleksibilitet.