Il rilevamento del vento di ispirazione biologica che utilizza sensori di deformazione su ali flessibili potrebbe rivoluzionare la strategia di controllo del volo robotico. I ricercatori dell’Institute of Science di Tokyo hanno sviluppato un metodo per rilevare la direzione del vento con una precisione del 99% utilizzando sette estensimetri sull’ala che batte e un modello di rete neurale convoluzionale. Questa innovazione, ispirata ai recettori naturali degli uccelli e degli insetti, apre nuove possibilità per migliorare il controllo e l’adattabilità dei robot aerei con ali battenti in condizioni di vento variabili.
Gli insetti volanti e gli uccelli possiedono recettori meccanici sulle ali che raccolgono dati sensoriali sulla tensione, presumibilmente aiutando il controllo del volo. Questi recettori rilevano eventualmente i cambiamenti nel vento, nei movimenti del corpo e nelle condizioni ambientali, consentendo aggiustamenti reattivi durante il volo. Ispirandosi a questa ala naturale dotata di recettori di deformazione, i ricercatori stanno esplorando come il rilevamento della deformazione dell’ala potrebbe estrarre informazioni sul flusso circostante utilizzando un robot biomimetico che sbatte le ali.
In uno studio pubblicato su Sistemi intelligenti avanzati l’11 novembre 2024, i ricercatori dell’Institute of Science Tokyo, guidati dal professore associato Hiroto Tanaka, hanno studiato l’uso di sensori di deformazione su ali flessibili che imitano i colibrì per rilevare con precisione le direzioni del flusso durante lo sbattimento vincolato in una galleria del vento simulando il volo in bilico sotto vento debole condizioni.
“I piccoli robot aerei non possono permettersi apparati convenzionali di rilevamento del flusso a causa delle forti limitazioni di peso e dimensioni. Pertanto, sarebbe utile se il semplice rilevamento della deformazione delle ali potesse essere utilizzato per riconoscere direttamente le condizioni del flusso senza ulteriori dispositivi dedicati”, afferma Tanaka.
I ricercatori hanno collegato sette estensimetri, che sono elementi commerciali a basso costo ampiamente utilizzati, a una struttura ad ala flessibile che imita le ali dei colibrì. Queste ali erano composte da alberi affusolati che supportavano una pellicola alare simile alla struttura delle ali naturali. Le ali erano fissate a un meccanismo di sbattimento azionato da un motore a corrente continua tramite un meccanismo a giogo scozzese e riduttori, che generavano un movimento di sbattimento avanti e indietro, a una velocità di 12 cicli al secondo. I ricercatori hanno applicato un vento molto debole di 0,8 m/s al meccanismo in una galleria del vento. La deformazione dell’ala è stata misurata durante il battito d’ali in sette diverse direzioni del vento (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° e 90°) e in una condizione di assenza di vento. Un modello di rete neurale convoluzionale (CNN) è stato utilizzato per l’apprendimento automatico dei dati di deformazione per classificare queste condizioni di vento.
Il meccanismo dell’ala può essere visto in azione nel video supplementare allegato all’articolo, che mostra lo sbattimento al rallentatore in assenza di flusso d’aria, con e senza estensimetri.
Di conseguenza, è stata ottenuta un’elevata precisione di classificazione del 99,5% utilizzando i dati di deformazione con la durata di un ciclo di sbattimento. Anche con una lunghezza dei dati inferiore, pari a 0,2 cicli di sbattimento, la precisione della classificazione è rimasta elevata all’85,2%. Utilizzando solo uno degli estensimetri, anche l’accuratezza della classificazione era elevata, variando dal 95,2% al 98,8% con una lunghezza dei dati pari a un ciclo di sbattimento, mentre l’accuratezza della classificazione è scesa drasticamente al 65,6% o meno con i dati brevi di 0,2 cicli. Questi risultati suggeriscono che il rilevamento della deformazione delle ali in più punti può consentire il riconoscimento della direzione del vento con elevata precisione in soli 0,2 cicli di sbattimento.
Rimuovendo gli alberi interni delle ali, la precisione della classificazione è diminuita. Il grado di diminuzione è stato rispettivamente del 4,4% con dati di 0,2 cicli e dello 0,5% con dati di 1 ciclo quando sono stati utilizzati tutti gli estensimetri. Inoltre, quando si utilizza un solo estensimetro, la diminuzione è stata in media del 7,2% per i dati di 1 ciclo e del 6% per i dati di 0,2 cicli. Questi risultati suggeriscono che le strutture biomimetiche dell’albero alare migliorano le capacità di rilevamento del vento delle ali.
“Questo studio contribuisce alla crescente comprensione del fatto che gli uccelli e gli insetti in volo possono percepire sensibilmente il vento attraverso il rilevamento della deformazione delle loro ali che sbattono, il che sarebbe utile per un controllo reattivo del volo. Un sistema simile può essere realizzato nei robot aerei biomimetici con ali battenti utilizzando una semplice deformazione misuratori”, conclude Tanaka.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com