Un piccolo robot che imita il volo stazionario dei colibrì può percepire il vento e misurarne la direzione grazie a dei sensori di deformazione sulle ali

Quello dei robot aerei biomimetici è un ambito di ricerca molto vitale: oggi esistono robot ispirati ai pipistrelli, ai moscerini, alle api e ai piccioni, capaci di volare in maniera sempre più stabile ed efficiente, di planare e anche di appollaiarsi su un ramo in maniera autonoma.

Far volare questi dispositivi in maniera controllata in condizioni di vento variabili, però, può essere ancora oggi una sfida, soprattutto se quello che si cerca di ottenere è un volo stazionario come quello di alcuni insetti e dei colibrì.

I ricercatori dell’Institute of Science di Tokyo hanno sviluppato un’ala robotica flessibile ispirata ai Trochilidi capace di rilevare la direzione del vento grazie a dei sensori di deformazione e al machine learning. La scoperta, spiegano gli scienziati, apre a nuove possibilità per migliorare il controllo e l’adattabilità dei robot aerei ad ala battente in condizioni di vento variabili.

Sensori sulle ali per i piccoli droni biomimetici

Gli insetti volanti e gli uccelli sono dotati di recettori sensoriali sulle ali che raccolgono dati sulla loro tensione, presumibilmente aiutando gli animali nel controllo del volo. Questi recettori possono rilevare cambiamenti nel vento, nel movimento del corpo e nelle condizioni ambientali, consentendo aggiustamenti e adattamenti durante il volo.

Questi particolari recettori, individuati in falene e cavallette ma anche nei polli, hanno attirato l’attenzione dei ricercatori impegnati nello sviluppo di robot aerei ad ala battente biomimetici sempre più efficienti e performanti.

Nello studio recentemente pubblicato su Advanced Intelligent Systems, i ricercatori dell’Institute of Science di Tokyo, guidati dal professore associato Hiroto Tanaka, hanno utilizzato questa ispirazione per esplorare il modo in cui il rilevamento della deformazione dell’ala potrebbe estrarre informazioni dall’ambiente circostante. In particolare, hanno studiato la possibilità di usare sensori di deformazione su piccole ali flessibili simili a quelle di un colibrì per rilevare la direzione del vento durante il volo.

Nel 2020, Tanaka fu tra gli autori dello studio che per primo esplorò l’implementazione di sensori sulle ali per la misurazione delle correnti. Il risultato di quello studio indicava chiaramente che “i droni ad ala battente sono in grado di riconoscere la direzione del vento sfruttando la dinamica naturale delle loro ali”. Una caratteristica che potrebbe migliorare decisamente il futuro dei robot aerei più leggeri. Come spiega il professore dell’Institute of Science di Tokyo, infatti:

“I piccoli robot aerei non possono permettersi di utilizzare le apparecchiature di rilevamento del flusso convenzionali a causa delle forti limitazioni di peso e dimensioni. Per questo motivo, sarebbe vantaggioso se si potesse utilizzare il semplice rilevamento delle deformazioni dell’ala per riconoscere direttamente le condizioni del flusso senza ulteriori dispositivi dedicati”.

L’ala robotica che imita quella dei piccolo colibrì

Nel 2023, i ricercatori dell’Università Keio hanno sviluppato un sensore miniaturizzato capace di rilevare la direzione del flusso orizzontale e lo hanno testato su un quadricottero commerciale da 199 grammi. Come si legge nel nuovo studio, però, il limite inferiore dell’intervallo era di 2 metri al secondo, una velocità che potrebbe essere eccessiva per il volo lento o stazionario.

Inoltre, come dimostrato da uno studio di poco precedente, nei piccoli robot aerei ad ala battente ispirati agli organismi volanti la realizzazione del volo stazionario – simile a quello dei colibrì, dei falchi e delle api – risulta particolarmente impegnativa. Perciò Tanaka e Kubota, autori del nuovo studio, si sono lasciati ispirare proprio dalle straordinarie capacità di volo dei Trochilidi.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato sette estensimetri commerciali a basso costo e una struttura alare flessibile che imita le ali dei colibrì. Queste ali erano composte da un telaio stampato in 3D che supportava un film di poliimmide dello spessore di 12,5 μm simile alla struttura delle ali naturali.

Le ali sono state collegate a un meccanismo di flappeggio azionato da un motore a corrente continua che ha generato un movimento di sbattimento avanti e indietro, a una velocità di 12 cicli al secondo.

Robot aerei che sanno percepire il vento: l’esperimento

Nel nuovo esperimento, i ricercatori hanno trasferito il robot in una galleria del vento, applicando una corrente molto debole (0,8 m/s). I sensori hanno misurato la deformazione dell’ala durante il flappeggio esposto a sette diverse direzioni del vento e in una condizione di assenza di vento. Un modello di rete neurale convoluzionale ha poi fatto il resto, classificando le condizioni del vento a partire dai dati raccolti dai sensori.

Utilizzando i dati di deformazione di un intero ciclo di oscillazione, gli scienziati hanno ottenuto una precisione di classificazione del 99,5%. Ma l’accuratezza è rimasta elevata anche su intervalli molto più brevi, attestandosi all’85,2% con i dati di appena 0,2 cicli di oscillazione.

Il sistema si rivela molto efficace anche utilizzando uno solo degli estensimetri, purché ci si possa servire dei dati di un intero ciclo di flappeggio. I dati sperimentali, spiegano gli scienziati, suggeriscono che il rilevamento delle deformazioni alari in più punti può consentire il riconoscimento della direzione del vento in soli 0,2 cicli di flappeggio.

Gli scienziati giapponesi hanno scoperto anche un’altra cosa interessante: rimuovendo la struttura interna delle ali, l’accuratezza della classificazione diminuisce sensibilmente, suggerendo che le strutture biomimetiche che imitano le nervature delle ali migliorano la loro capacità di rilevare il vento.

“Questo studio contribuisce alla crescente comprensione del fatto che gli uccelli e gli insetti capaci di stazionare in volo possono percepire sensibilmente il vento attraverso il rilevamento della deformazione delle loro ali, il che sarebbe vantaggioso per un controllo di volo reattivo. Nei robot aerei biomimetici ad ala battente, un simile sistema può essere realizzato utilizzando semplici estensimetri”,

conclude Tanaka.

Il volo stazionario dei colibrì ha ispirato un robot rilevatore del vento

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