Miniaturowe roboty latające sprawniejsze niż muchy

Inżynierowie od dawna próbują skonstruować miniaturowego robota latającego, który byłby w stanie dorównać w powietrzu najlepszemu lotnikowi spośród insektów, czyli musze. Taki robot mucha, gdyby był dość efektywny, by realizować długie misje, znalazłby bardzo wiele zastosowań, od szpiegowskich, przez wykrywanie min, po misje ratunkowe w zawalonych budynkach.

Od dawna wśród inżynierów robotyków i biologów panuje pogląd, że miniaturowe roboty latające, które latają jak samoloty, czy helikoptery zużywają znacznie więcej energii niż te mikro roboty, które naśladują sposób latania much. Wyrażali oni przekonanie, że machanie małymi skrzydłami marnuje mniej energii przy unoszeniu. Koncepcja ta została gruntownie przetestowana przez Davida Lentinka, inżyniera z holenderskiego Wageningen University, oraz Michaela Dickinsona, biologa z California Institute of Caltech.

Wykorzystali oni gigantycznego robota zanurzonego w zbiorniku z olejem do sprawdzenia, czy podczas latania mniej energii zużywa mucha, czy mikro helikopter. Ku ich zaskoczeniu, okazało się, że skrzydła kręcące się jak w helikopterze generują tyle samo siły nośnej co skrzydła machające zużywając do tego celu ledwie połowę energii. Badania te pokazują, że roboty latające jak muchy mogą zaoszczędzić nawet 50 procent energii, gdy będą kręcić skrzydłami jak łopatami helikoptera. Dzięki temu odkryciu, możliwe będzie konstruowanie efektywniejszych miniaturowych robotów latających, które wykorzystywać będą zarówno unikatowy kształt skrzydeł insektów, jak i ruch obrotowy łopat helikoptera.

Machanie skrzydłami marnuje mnóstwo energii na odpychanie powietrza w przód i w tył, wyjaśnił Lentink. „Dlatego kręcące się skrzydła insektów zużywają mniej energii niż te machające. Inżynierowie byli przekonani, że maszyny latające wielkości muchy, by być efektywnymi, muszą machać skrzydłami zupełnie jak one.” – dodał. Tymczasem okazało się, że jest zupełnie inaczej. Przyczyną błędnego rozumowania jest fakt, iż zarówno obracające się, jak i kręcące się skrzydła generują znacznie więcej siły nośnej niż wynika to z teorii aerodynamiki; nawet do dwóch razy więcej. Dodatkowa siła nośna wynika ze stałego, podobnego do tornado, wiru, który biegnie równolegle do krawędzi skrzydła. Wir ten obniża ciśnienie ponad skrzydłem i zasysa je do góry, unosząc insekta.

Fakt generowania dodatkowej siły nośnej przez ruch skrzydeł znany jest co prawda od dawna. Jednakże ostatnie badania pokazały, że obrotowy ruch skrzydeł generuje siłę nośną efektywniej. Pomimo tego odkrycia wciąż możemy się od much wiele nauczyć, powiedział Dickinson. Te miniaturowe zwierzęta wyewoluowały tak, że są dziś uważane za jednych z najlepszych w przyrodzie lotników. Najnowocześniejsze baterie pozwalają utrzymywać się w powietrzu robotom wielkości muchy ledwie przez sekundy, czy minuty, podczas gdy prawdziwe muchy są w stanie bez wysiłku latać przez całe godziny. „Dzięki tak sprawnemu magazynowaniu energii i silnikom, muchy są znacznie mniej uzależnione od energooszczędności niż nasze najlepsze roboty muchy.” – stwierdził Dickinson. „Wciąż możemy się od natury uczyć jak poprawić konstrukcje robotów latających, jednakże nie bez lepszego zrozumienia dlaczego muchy latają tak sprawnie.” – dodał.

(lk)