Vleugels nader bekeken

Vliegen in het Bionic Learning Network

De droom om te vliegen is een van de oudste van de mensheid. We hebben altijd gefascineerd gekeken naar de dierenwereld, die ons op verschillende manieren laat zien hoe het werkt. Vliegen is ook een terugkerend thema in het Bionic Learning Network. In samenwerking met universiteiten, instituten en ontwikkelingsorganisaties ontwerpen we al jaren onderzoeksobjecten waarvan de technische basisprincipes zijn afgeleid van de natuur.

Eerst hebben onze bionica-experts gekeken naar de vinnen van de adelaarsrog. Die leeft inderdaad in het water, maar zijn grote zwemvinnen slaan tijdens het zwemmen als vleugels op en neer. Dit principe hebben wij in 2007 toegepast op de Air_ray. De stromingsgeoptimaliseerde vorm van de rog verhoogt de aërodynamische efficiëntie, de actieve torsie van de vleugels zorgt voor een volledige krachtontwikkeling. Een servomotor trekt afwisselend in de lengterichting aan de beide flanken en zorgt ervoor dat de vleugel gericht op en neer klapt. Met een extra servoaandrijving kan de slagvleugel in zijn dwarsas worden gedraaid, waardoor de Air_ray ook naar achteren kan bewegen. Door zijn lichte constructie, de opwaartse heliumdruk en de slagvleugelaandrijving met Fin Ray Effect® beweegt hij zich in de lucht zoals zijn natuurlijke voorbeeld in de zee.

Een soortgelijk ontwerp is ook terug te vinden in de AirPenguins van 2009. Hun vliegtechniek komt heel dicht in de buurt van de zwemtechniek van hun biologische tegenhangers. Door de passief draaiende vleugels is het mogelijk om zowel voorwaartse als achterwaartse stuwkracht te genereren.

De AirPenguins kunnen als groep van drie zelfstandig vliegen en zwevend door een gedefinieerd luchtruim bewegen, dat wordt gedetecteerd door ultrasone transmissiestations. Binnen deze ruimte kunnen de pinguïns zich vrij bewegen.

Een microcontroller geeft hen de mogelijkheid om deze ruimte autonoom of volgens overeengekomen regels te verkennen.

Vanaf het water de lucht in

Op basis hiervan hebben we in 2011 de vlucht van de vogels ontsleuteld en de SmartBird gepresenteerd. De door de zilvermeeuw geïnspireerde bionische technologiedrager kan opstijgen, vliegen en landen – zonder extra aandrijving.

De vleugels klappen niet alleen op en neer, maar kunnen ook gericht draaien. Dit wordt bereikt met een actieve torsieaandrijving van de gewrichten die, in combinatie met een complex regelsysteem, een tot dan toe ongeëvenaarde efficiëntie in het vliegen bereikt. Een permanente diagnose zorgt voor een veilige vlucht: terwijl de SmartBird vliegt, worden gegevens zoals vleugelpositie, vleugeltorsie en batterijlading continu geregistreerd en in real time gecontroleerd.

Vliegkunsten van de libel

De libel heeft een nog complexere manier van vliegen. De vliegkunsten van van dit insect zijn uniek: hij kan in alle richtingen manoeuvreren, in de lucht blijven hangen of door de lucht zeilen zonder met de vleugels te slaan. Het vermogen om zijn twee paar vleugels onafhankelijk van elkaar te bewegen stelt hem in staat om te remmen en abrupt te draaien, snel te versnellen en zelfs achteruit te vliegen.

Met de BionicOpter heeft ons bionicateam in 2013 deze zeer complexe eigenschappen technisch geïmplementeerd in een ultralicht vliegend object. Voor het eerst beheerst een model meer vliegsituaties dan helikopters, motorvliegtuigen en zweefvliegtuigen samen. Door de slagfrequentie en de rotatie van de afzonderlijke vleugels te regelen, kunnen de richting en intensiteit van de stuwkracht van alle vier de vleugels individueel worden ingesteld. De op afstand bediende libel kan dus bijna elke positie in de ruimte innemen.

Collectief vliegen

Festo perfectioneerde de lichtgewichtconstructie en miniaturisatie in 2015 met de eMotionButterflies: elk van de bionische vlinders weegt slechts 32 gram. Om zo dicht mogelijk bij de vliegwijze van hun natuurlijke rolmodel te komen, hebben de eMotionButterflies een sterk geïntegreerde elektronica aan boord. Deze kan de vleugels nauwkeurig en individueel bedienen en zo de snelle bewegingen uitvoeren.

Tien in de ruimte geïnstalleerde camera's nemen de vlinders op via hun infraroodmarkers. De camera's sturen de positiegegevens door naar een centrale hoofdcomputer, die de vlinders van buitenaf coördineert.

Festo BionicFlyingFox

BionicFlyingFox: Tijdens de vlucht vergelijkt een hoofdcomputer de doelvliegroutes van de kunstmatige vliegende hond met de werkelijke vliegroutes. Door middel van Machine Learning past hij deze steeds beter aan.

Gedeeltelijk autonoom vliegen in een gedefinieerde ruimte

De bionici hebben dit intelligente netwerk verder ontwikkeld en presenteerden op de Hannover Messe 2018 de BionicFlyingFox die zelfs semi-autonoom vliegt. Dit is mogelijk door een combinatie van boordelektronica en een extern camerasysteem. Hierdoor kan de kunstmatige vleermuis met een spanwijdte van 2,28 meter door de lucht vliegen.

Een rekbare, luchtdichte huid strekt zich uit van de vingertoppen tot de voeten van de kunstmatige vleermuis. Het speciaal ontwikkelde membraan bestaat uit een elastaanweefsel en puntgelaste folie. Dankzij deze honingraatstructuur kan de BionicFlyingFox zelfs met lichte verwondingen aan het bionische weefsel door blijven vliegen.

Hoe verschillend het vlieggedrag van de dieren in de natuur ook is – voor de overdracht naar de techniek zijn de grote uitdagingen altijd de lichte constructie en de integratie van functies. Met de BionicFlyingFox, waarin alle draaipunten van zijn sterk belaste kinematica op één vlak liggen, zodat de hele vleugel met behulp van het schaarprincipe kan worden samengevouwen, heeft Festo nu alle vliegmodi van het dierenrijk ontcijferd. De natuur biedt echter ook vele andere unieke oplossingen die het bionicateam in de toekomst inspireren tot nieuwe technische oplossingen.

Overzicht