Een wapperende microrobot geïnspireerd op de vleugeldynamiek van neushoornkevers

4 augustus 2024 functie

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. De redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud hebben gewaarborgd:

• gecontroleerd op feiten
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecontroleerd op spelling

door Ingrid Fadelli, Tech Xplore

De vleugeldynamiek van vliegende diersoorten heeft inspiratie geboden voor tal van vliegende robotsystemen. Terwijl vogels en vleermuizen meestal hun vleugels laten wapperen door de kracht die wordt geproduceerd door hun borst- en vleugelspieren, blijven de processen die ten grondslag liggen aan de vleugelbewegingen van veel insecten slecht begrepen.

Onderzoekers van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Zwitserland) en de Konkuk University (Zuid-Korea) zijn onlangs op pad gegaan om te verkennen hoe herbivore insecten, bekend als neushoornkevers, hun vleugels inzetten en intrekken. De inzichten die ze hebben verzameld, zoals beschreven in een paper gepubliceerd in Nature, werden vervolgens gebruikt om een nieuwe wapperende microrobot te ontwikkelen die zijn vleugels passief kan inzetten en intrekken, zonder de noodzaak van uitgebreide actuators.

'Insecten, waaronder kevers, worden theoretisch geacht thoracale spieren te gebruiken om actief hun vleugels in te zetten en in te trekken aan de basis van de vleugels, net als vogels en vleermuizen,' zei Hoang-Vu Phan, de hoofdauteur van het paper, tegen Tech Xplore. 'Echter, methoden om spieractiviteit op te nemen of te monitoren kunnen nog steeds niet bepalen welke spieren kevers gebruiken om hun vleugels in en uit te zetten, noch verklaren hoe ze dat doen.'

De achtervleugels van kevers lijken op vouwbare origamistructuren, omdat ze netjes kunnen worden opgevouwen en opgeborgen onder de elytra (d.w.z. een verharde voorvleugel die meestal bij kevers wordt gevonden) terwijl ze rusten en vervolgens passief worden ingezet wanneer ze vliegen. Veel eerdere studies gericht op het repliceren van de dynamiek van kevervleugels in robots gebruikten dus origamivormige structuren, zonder veel aandacht te besteden aan bewegingen aan de basis van de achtervleugels.

'Dit onderzoek is een vervolg op mijn eerdere werk gepubliceerd in Science in 2020, waarbij we de schokabsorberende functie van de achtervleugels van neushoornkevers ontdekten tijdens in-vlucht botsingen,' legde Phan uit. 'Tijdens de experimenten legde ik per ongeluk een volledige tweefasige vleugelinzet vast, en vroeg me af waarom de kever zo'n complexe procedure gebruikt als aangedreven door actieve spieren.'

In zijn eerdere onderzoeken naar neushoornkevers, observeerde Phan dat deze insecten hun elytra en wapperende krachten kunnen benutten om passief hun achtervleugels in te zetten voor de vlucht. Zodra hun vlucht voorbij is en ze op een oppervlak landen, gebruiken ze dan de elytra om de achtervleugels terug op hun lichaam te duwen. Beide acties zijn van passieve aard, aangezien ze niet de betrokkenheid van thoracale spieren vereisen die de vlucht van vogels en vleermuizen ondersteunen.

'Door dit passieve mechanisme te implementeren in wapperende robotvleugels, hebben we voor het eerst aangetoond dat in tegenstelling tot bestaande wapperende robots die hun vleugels in een volledig uitgestrekte configuratie houden, onze robot de vleugels langs het lichaam kan vouwen bij rust en passief zijn vleugels kan inzetten om op te stijgen en stabiele vlucht te behouden,' zei Phan.

De onderzoekers gebruikten de inzichten die ze hadden opgedaan uit hun studie van neushoornkevers om een wapperende microrobot te bouwen die 18 gram weegt. Deze microrobot, die ongeveer twee keer groter is dan een echte kever, kan passief zijn vleugels inzetten en intrekken.

'Voor eenvoud hebben we elastische pezen gebruikt die zijn geïnstalleerd bij de oksels om de robot in staat te stellen zijn vleugels passief te sluiten,' zei Phan. 'Door de wapperende beweging te activeren, kan de robot passief zijn vleugels inzetten om op te stijgen en stabiele vlucht te behouden. Vervolgens kunnen de vleugels door na de landing te stoppen met wapperen snel en passief teruggetrokken worden naar het lichaam zonder de noodzaak van extra actuators.'

Recent werk van Phan en zijn collega's toonde aan dat de mechanismen die ten grondslag liggen aan hoe kevers hun achtervleugels inzetten en intrekken passief zijn en niet afhankelijk zijn van spierbewegingen. Vervolgens introduceerde het een haalbare strategie om deze mechanismen te reproduceren in microrobots, waardoor de gelijkenis met insecten wordt vergroot.

'Onze robot met opvouwbare vleugels kan worden gebruikt voor zoek- en reddingsmissies in kleine ruimtes,' zei Phan. 'Bijvoorbeeld, het kan een ingestort gebouw binnenvliegen waar mensen niet kunnen komen. Met zijn kleine schaal kan de robot zich in smalle ruimtes verplaatsen. Wanneer vliegen niet mogelijk is, kan de robot landen of zich ergens neerzetten, en dan overschakelen naar andere locomotiemodi zoals kruipen.'

Opvallend is dat wanneer de microrobot van het team kruipt, de vleugels langs zijn lichaam rusten, wat het risico vermindert dat ze beschadigd raken en tegelijkertijd de mobiliteit van de robot in nauwe ruimtes verbetert. Zodra het een goede plek vindt om op te stijgen, kan de robot eenvoudig zijn vleugels weer uitklappen en terugschakelen naar vliegmodus.

'Onze wapperende robot kan biologen ook helpen bij het bestuderen van de biomechanica van insectenvlucht en kan worden vermomd als spioninsecten om het leven van echte insecten in bossen te verkennen, waar conventionele drones met roterende vleugels niet van toepassing zijn,' zei Phan. 'Bovendien zou de wapperende robot kunnen worden gebruikt voor technisch onderzoek of als technisch speelgoed voor kinderen, omdat de lage wapperfrequentie zeer veilig en mensvriendelijk is.'

Tot nu toe hebben Phan en zijn collega's de prestaties van hun microrobot beoordeeld in een reeks preliminaire tests, die veelbelovende resultaten hebben opgeleverd. In de toekomst zou hun ontwerp verder kunnen worden verbeterd en getest in verschillende echte scenario's, om het potentieel verder te valideren.

'In toekomstige studies zou het interessant zijn om te onderzoeken of andere insecten, zoals kleine vliegen, vergelijkbare passieve strategieën gebruiken in het kader van beperkte spierbeschikbaarheid,' voegde Phan toe. 'We streven er ook naar om de snelle vlucht van onze robot te verbeteren, en om grondverplaatsingsmogelijkheden zoals landen en kruipen te implementeren, vergelijkbaar met zijn biologische tegenhangers.'

Meer informatie: Hoang-Vu Phan et al, Passieve vleugeluitklapping en intrekking bij kevers en wapperende microrobots, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07755-9

© 2024 Science X Network