Ontwikkeling van een microvliegtuig met flappende vleugels gebaseerd op de Rosse kolibrie

Frederik Leys
 Van Kolibrie naar KuLibrie Onderzoekers aan de Katholieke Universiteit Leuven hebben een microvliegtuig met flappende vleugels ontwikkeld. Ze baseren zich daarbij op de anatomie en de vliegwijze van de Rosse kolibrie, één van de kleinste vogeltjes op aarde.Maar waarom de kolibrie? Wel precies omdat hij zo klein en wendbaar is. Omdat hij zich vlot naar de meest onbereikbare plekken kan begeven en er ook kan blijven hangen. Je kan je dus wel indenken dat zo'n microvliegtuigje in de praktijk perfect inzetbaar is om allerlei tot hiertoe ondenkbare taken uit te voeren.

Ontwikkeling van een microvliegtuig met flappende vleugels gebaseerd op de Rosse kolibrie

 Van Kolibrie naar KuLibrie 

Onderzoekers aan de Katholieke Universiteit Leuven hebben een microvliegtuig met flappende vleugels ontwikkeld. Ze baseren zich daarbij op de anatomie en de vliegwijze van de Rosse kolibrie, één van de kleinste vogeltjes op aarde.

Maar waarom de kolibrie? Wel precies omdat hij zo klein en wendbaar is. Omdat hij zich vlot naar de meest onbereikbare plekken kan begeven en er ook kan blijven hangen. Je kan je dus wel indenken dat zo'n microvliegtuigje in de praktijk perfect inzetbaar is om allerlei tot hiertoe ondenkbare taken uit te voeren. Maar om zover te komen moet je een cruciaal probleem oplossen. Hoe krijg je vleugels aan het flappen? 

Van kolibrie naar… Kulibrie

De kolibrie is in de eerste plaats een echt super minivogeltje. Het begincriteria waar het microvliegtuigje moest aan beantwoorden was derhalve dat het klein moest zijn, en uiteraard ook vederlicht. Het prototype kreeg de gepaste naam "Kulibrie” mee. De Kulibrie meet van vleugeltip tot vleugeltip slechts 11 centimeter en weegt amper 4,15 gram, het gewicht van een paar suikerklontjes. Maar wat de Kulibrie zo bijzonder maakt is de manier waarop zijn vleugels bewegen.

Waarom flappende vleugels?

Insecten en kolibries vliegen door te flappen met hun vleugels. Dat is een beduidend efficiëntere manier van vliegen dan de manier waarop vliegtuigjes met vaste vleugels of helikopters van gelijkaardige afmetingen vliegen. Die efficiëntie vertaalt zich in het feit dat ze meer gewicht tillen dan vliegtuigjes met gelijkaardige vleugels. Bovendien zijn ze in staat tot een veel breder scala aan vliegmanoeuvres. Zo kunnen ze niet alleen snel voorwaarts, maar ook zonder probleem zijdelings of zelfs achterwaarts vliegen. Ze kunnen af en toe ter plaatse blijven zweven en als het even moet zelfs ondersteboven landen. 

Net daarom dat er veel onderzoek gebeurt naar het aandrijven van microvliegtuigen met flappende vleugels, de zogenaamde ornithopters. Deze ornithopters zouden immers perfect gebruikt kunnen worden daar waar kleine afmetingen en het uitvoeren van snelle manoeuvres van groot belang zijn. Zo kunnen ze, bijvoorbeeld heel vlot en snel de meest onbereikbare hoekjes van een gebouw bereiken. Ze kunnen binnenin een grot het meest grillige parcours afleggen en zich door heel smalle spleten begeven. Ook vlot en snel tussen de bomen van een bos vliegen is voor deze ornithopters een koud kunstje. 

Een erg complexe vleugelbeweging

Anders dan grote vogels bewegen insecten en kolibries hun vleugels in een horizontaal vlak, het slagvlak. Ze voeren daarbij een zeer complexe vleugelbeweging uit die uit vier achtereenvolgende fasen bestaat: de buikwaartse slag, de supinatie, de rugwaartse slag en de pronatie.

Deze vleugelbeweging is het eenvoudigst voor te stellen door ze zelf na te bootsen. Beeld je in dat je arm en hand samen een vleugel vormen van de Rosse kolibrie. Strek nu om te beginnen je rechterarm rechts van je uit en oriënteer je hand in een hoek van 45° ten opzichte van een horizontaal vlak, met je handpalm naar de grond gericht en je duim bovenaan. Beweeg nu je arm naar voren, in een horizontaal vlak en zonder hem te plooien. Dit is de buikwaartse slag. Om de supinatie uit te voeren, roteer je vervolgens je hand 90° met de klok mee. Doe dit rond een as in de lengte van je arm zodat deze weer een hoek van 45° graden vormt ten opzichte van een horizontaal vlak, maar nu met de handpalm naar boven gericht. Voor de rugwaartse slag beweeg je je arm zonder te plooien horizontaal naar achteren. Vervolgens roteer je op het einde hiervan je hand weer, maar nu tegen de klok in zodat deze weer georiënteerd is zoals in het begin. Deze laatste rotatie is de pronatie, de laatste fase van de vleugelbeweging. Als je nu echt wil vliegen als een Rosse kolibrie, hoef je enkel al die bewegingen ongeveer 40 keer per seconde na elkaar uit te voeren, terwijl je je arm een klein beetje op en neer beweegt zodat je hand een liggende acht maakt.

Hoe werd die complexe vleugelbeweging tot hiertoe nagebootst, of beter gezegd, niet nagebootst?

In feite kan je deze vleugelbeweging zien als een combinatie van twee bewegingen. Enerzijds heb je de slagbeweging. Die maak je door je armen te bewegen. Anderzijds heb je dan de zogenaamde pitchbeweging, in ons voorbeeld het roteren van de hand. Maar omdat het precies die combinatie van een slagbeweging en een pitchbeweging is die mechanisch erg moeilijk uit te voeren valt, werd tot hiertoe de vleugelbeweging vereenvoudigd door de pitchbeweging te negeren. Met als gevolg een slechte nabootsing van hoe het er in de natuur aan toe gaat. De huidige mechanische “beestjes” presteren gewoon ondermaats in vergelijking met hun biologische tegenhangers wat luchtacrobatie en gewichtheffen betreft.

De oplossing heet Kulibrie

De Kulibrie combineert daarentegen wel de slagbeweging met de pitchbeweging en genereert daardoor beduidend meer liftkracht. Om dit te realiseren is een totaal nieuw systeem bedacht. Dat systeem is gebaseerd op een combinatie van kabels die aan de vleugels trekken. De kabeltjes worden in beweging gezet door een nok, aangedreven door een uiterst kleine elektromotor. De voeding voor deze motor is een extreem licht lithium polymeer batterijtje dat slechts 1 gram weegt. Het batterijtje zorgt echter wel voor voldoende stroom om de motor draadloos te besturen. 

De vleugels bestaan uit dunne staafjes, uitgevoerd in een koolstofvezel composiet materiaal waarover een polymeerfilm is gespannen. Het geheel wordt samengehouden door een structuur uitgeprint door een 3D-printer.

Dankzij deze perfecte mechanische nabootsing van de "biologische" beweging, het super lichte gewicht van de gebruikte materialen en de kleine maar toch krachtige elektromotor, zijn we er met de Kulibrie dus in geslaagd om een uiterst snel en flexibel inzetbaar vliegtuigje te bouwen. 

Hoe ziet de toekomst er nu uit?

De bedoeling is de Kulibrie uit te rusten met een camera. Dankzij beeldherkenning zal hij dan probleemloos en autonoom in gebouwen of grotten en tussen de bomen van een bos kunnen vliegen. 

Bibliografie

[1] Aerovironment. URL: http://www.avinc.com/nano, laatst nagekeken op 2011-08-21. 

[2] Afbeelding aanvalsboordwervel. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Flow_separation.jpg, laatst nagekeken op 2011-08-18. 

[3] Afbeelding delta vleugel. URL: http://i146.photobucket.com/albums/r279/sampaix/00-avion-combat-ecoulem…, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[4] Afbeelding insectenvleugel. URL: http://cdn.imgfave.com/image_cache/1244300390475693.jpeg, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[5] Afbeelding manduca sexta. URL: http://nl.wikipedia.org/wiki/Manduca_sexta, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[6] Afbeelding rosse kolibrie. URL: https://picasaweb.google.com/110051967010008806922/CanadianAnimals#5112…, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[7] Beeldverwerkings software. URL: http://www.unc.edu/~thedrick/software1.html, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[8] Beschrijving tait bryan angles. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Euler_angles, laatst nagekeken op 2011-08-18. 

[9] Constar motors. URL: http://www.constarmotor.com/product/detail.asp?id=472, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[10] Darpa’s nano air vehicle programma. URL: http://www.darpa.mil/Our_Work/DSO/Programs/Nano_Air_Vehicle_(NAV).aspx, laatst nagekeken op 2011-08- 14. 

[11] Didel. URL: http://www.didel.com/NewsF.html, laatst nagekeken op 2011- 08-14. 

[12] Dimension 3d printers. URL: http://www.dimensionprinting.com/, laatst nagekeken op 2011-08-21. 

[13] Fablab-leuven. URL: http://www.fablab-leuven.be/, laatst nagekeken op 2011-08-14.

[14] Het hedrick lab aan de universiteit van washington. URL: http://www.unc.edu/~thedrick/, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[15] Micro flier radio. URL: http://microflierradio.com/, laatst nagekeken op 2011-08-14. 

[16] J. D. Anderson. Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill, 2001. 

[17] S. A. Ansari, K. Knowles, and R. Zbikowski. Insectlike flapping wings in the hover part 1: Effect of wing kinematics. The Journal of Aircraft, (45), 2008. 

[18] S. A. Ansari, K. Knowles, and R. Zbikowski. Insectlike flapping wings in the hover part 2: Effect of wing geometry. The Journal of Aircraft, (45), 2008. 

[19] H. Aono. A simulation-based study of flapping flightmechanisms in insects. PhD thesis, Chiba University, 2008. 

[20] H. Aono, F. Liang, and H. Liu. Near- and far-field aerodynamics in insect hovering flight: an integrated computational study. The Journal of Experimental Biology, (211):239–257, 2008. 

[21] H. Aono and H. Liu. Size effects on insect hovering aerodynamics: an integrated computational study. Bioninspiration & Biomimetics, (4), 2009. 

[22] C. Bolsman, J. Goosen, and F. van Keulen. Design overview of a resonantwing actuation mechanism for application in flappingwing mavs. google scholar, 2011. 

[23] S. A. Combes and T. L. Daniel. Flexural stiffness in insect wings. The Journal of Experimental Biology, (206):2979–2987, 2003. 

[24] S. A. Combes and T. L. Daniel. Into thin air: contributions of aerodynamic and inertial-elastic forces to wing bending in the hawkmoth manduca sexta. The Journal of Experimental Biology, (206):2999–3006, 2003. 

[25] G. de Croon, K. de Clercq, R. Ruijsink, B. Remes, and C. de Wagter. Design, aerodynamics, and visionbased control of the delfly. International Journal of Micro Air Vehicles, (2), 2009. 

[26] M. H. Dickinson and et al. Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight. Science, (284), 1999. 

[27] M. H. Dickinson, F.-O. Lehmann, and K. G. Gotz. Time-resolved reconstruction of the full velocity field around a dynamically-scaled flapping wing. Experiments in Fluids, (41):213–225, 2006. 

[28] C. P. Ellington. The aerodynamics of hovering insect flight. iv. aeorodynamic mechanisms. Phil. Trans. R. Soc. Lond., (305):79–113, 1984. 

[29] S. N. Fry, R. Sayaman, and D. M.H. The aerodynamics of free-flight maneuvers in drosophila. Science, (300), 2005. 

[30] J. W. Gerdes. Design, analyses and testing of a flapping wing miniature air vehicle. google scholar, 2010. 

[31] S. Ho, H. Nassef, N. Pornsinsirirak, Y.-C. Tai, and C.-M. Ho. Unsteady aerodynamics and flow controlfor flapping wing flyers. Progress in Aerospace Sciences, (39):635–681, 2003. 

[32] M. Karpelson, G.-Y. Wei, and R. J. Wood. A review of actuation and power electronics options for flapping-wing robotic insects. In IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2008. 

[33] D. Lentink. Exploring the biofluiddynamics of swimming and flight. 2008. 

[34] D. Lentink and M. H. Dickinson. Rotational accelerations stabilize leading edge vortices on revolving fly wings. The Journal of Experimental Biology, (212):2705–2719, 2009. 

[35] F. Leys. Blog erasmus mundus india. URL: http://erasmusindia.blogspot.com/, laatst nagekeken op 2011-08-20. 

[36] Z. Liang and H. Dong. Computational analysis of hovering hummingbird flight. In 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2010. 

[37] H. Liu. Integrated modeling of insect

Universiteit of Hogeschool
Ingenieurswetenschappen: werktuigkunde
Publicatiejaar
2011
Kernwoorden
Share this on: