Onderzoekers van de TU Delft hebben een bijzondere drone ontwikkeld die tijdens het vliegen actief van vorm kan veranderen. De zogenoemde SquirrelDrone is geïnspireerd op vliegende eekhoorns en andere zweefzoogdieren, die hun lichaam voortdurend aanpassen om wendbaar tussen bomen door te manoeuvreren. Volgens de onderzoekers kan deze aanpak leiden tot een nieuwe generatie drones die tegelijkertijd stabiel, wendbaar en uiterst manoeuvreerbaar zijn. De resultaten zijn gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift.
Inhoudsopgave
Hele lichaam vervormt
Veel bio-geïnspireerde drones zijn gebaseerd op vogels. Daarbij ligt de nadruk meestal op beweegbare vleugels, verenstructuren of zelfs klappende vleugels. Het Delftse onderzoeksteam koos bewust voor een andere inspiratiebron: zweefzoogdieren zoals vliegende eekhoorns en possums.
“Zwevende zoogdieren sturen hun vlucht op een andere manier. Zij gebruiken hun volledige lichaam als één geïntegreerd aerodynamisch systeem”, zegt universitair hoofddocent Salua Hamaza van de TU Delft.
Vliegende eekhoorns veranderen tijdens hun vlucht voortdurend de stand van hun voor- en achterpoten, vervormen hun vlieghuid en gebruiken hun staart om de luchtstroming te beïnvloeden. Daardoor kunnen ze scherpe bochten maken, obstakels ontwijken en gecontroleerd landen op boomstammen.
Vliegende eekhoorn nagebootst
Om deze principes te onderzoeken ontwikkelden de onderzoekers de SquirrelDrone, een drone met een flexibel membraan dat lijkt op het patagium, de vlieghuid van zweefzoogdieren. De drone beschikt over beweegbare voorpoten, achterpoten en een staart, die gezamenlijk de vorm van het toestel tijdens de vlucht kunnen veranderen.
In tegenstelling tot conventionele vliegtuigen of drones met vaste vleugels gebruikt de SquirrelDrone geen afzonderlijke stuurvlakken zoals rolroeren of hoogteroeren. In plaats daarvan wordt de volledige aerodynamische vorm aangepast.
Het systeem combineert drie belangrijke biologische principes:
- gecoördineerde bewegingen van voor- en achterpoten;
- vervorming van romp en staart;
- een flexibel membraan dat passief meebeweegt met de luchtstroming.
Daardoor ontstaat een volledig vervormbaar vliegend lichaam dat zich voortdurend kan aanpassen aan veranderende vliegomstandigheden.
Duidelijke voordelen
De onderzoekers bouwden vier prototypes en onderwierpen deze aan uitgebreide windtunnel- en vliegtests. Daarbij werd onderzocht hoe de verschillende vormen van vervorming de vliegeigenschappen beïnvloeden.
Een opvallende bevinding was dat het flexibele membraan zichzelf onder invloed van de luchtstroming vervormt. Daardoor neemt de kromming van het vleugelprofiel toe, wat resulteert in meer lift en een betere longitudinale stabiliteit. Volgens de onderzoekers bleef de drone hierdoor stabiel over een veel groter bereik van invalshoeken dan vergelijkbare configuraties met een starre vleugel.
Ook actieve vervorming van de voor- en achterpoten bleek grote voordelen op te leveren. Door de vorm van de vleugels voortdurend aan te passen kon de drone sneller rollen, scherper sturen en agressievere manoeuvres uitvoeren.
Stabieler én wendbaarder
Normaal gesproken moeten vliegtuigontwerpers een compromis sluiten tussen stabiliteit en wendbaarheid. Een zeer stabiel toestel reageert minder snel op stuurcommando’s, terwijl een uiterst wendbaar toestel vaak gevoeliger is voor verstoringen.
Volgens de Delftse onderzoekers biedt vervorming van het volledige lichaam een manier om beide eigenschappen te combineren. De SquirrelDrone kan tijdens de vlucht wisselen tussen configuraties die gericht zijn op stabiliteit en configuraties die juist maximale manoeuvreerbaarheid bieden. Daardoor kan het toestel zich aanpassen aan de omgeving waarin het opereert.
Tijdens tests bleek bovendien dat bepaalde vervormingsconfiguraties het afslaan van de vleugel aanzienlijk kunnen uitstellen. Waar de basisconfiguratie rond een invalshoek van ongeveer 20 graden begon te stallen, bleef de drone in sommige vervormde configuraties bestuurbaar tot boven de 30 graden.
Na de windtunneltests werd de SquirrelDrone ook buiten getest. Tijdens proefvluchten in Valkenburg wist de drone ondanks windstoten tot circa 10 m/s stabiel te blijven vliegen. Het toestel voerde gecontroleerde bochten uit en bereikte hellingshoeken tot 47 graden en pitchhoeken tot 42 graden. Daarmee werd aangetoond dat de vervormbare constructie ook buiten het laboratorium bruikbaar is.
Mogelijke toepassingen
De onderzoekers zien toepassingen voor toekomstige drones die moeten opereren in complexe omgevingen, zoals bossen, stedelijke gebieden of andere locaties waar veel obstakels aanwezig zijn. Door niet alleen de vleugels, maar het volledige lichaam aan te passen, zouden dergelijke toestellen efficiënter en veiliger kunnen manoeuvreren.
Volgens het onderzoek laat de SquirrelDrone voor het eerst overtuigend zien dat de vliegeigenschappen van drones aanzienlijk kunnen worden verbeterd door de principes van zweefzoogdieren over te nemen. Daarmee opent het project de deur naar een geheel nieuwe ontwerpfilosofie voor vervormbare luchtvaartuigen.
(bron: TU Delft)
