Vliegende eekhoorn als inspiratie voor nieuw droneontwerp

’s Nachts, geruisloos zwevend door dichte bossen, voeren vliegende eekhoorns enkele van de meest wendbare luchtmanoeuvres uit die in de natuur voorkomen. In tegenstelling tot vogels, die vooral vertrouwen op hun gevederde vleugels, veranderen deze zwevende zoogdieren tijdens hun vlucht de vorm van hun hele lichaam. Ze strekken hun ledematen, vervormen hun vlieghuid (patagium), buigen hun ruggengraat en gebruiken actief hun staart om de luchtstroming te beïnvloeden.

Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft hebben deze biologische principes nu vertaald naar een nieuwe vliegende robot: de SquirrelDrone. Het onderzoek laat voor het eerst zien hoe het vervormen van het volledige lichaam de vliegprestaties van robots aanzienlijk kan verbeteren.

De studie, gepubliceerd in Nature Communications, introduceert volgens de TU Delft een fundamenteel nieuwe benadering voor vervormbare vliegtuigen. Daarbij lieten de onderzoekers zich niet inspireren door vogels, maar door zwevende zoogdieren zoals vliegende eekhoorns en koeskoezen (colugo's). Door van deze dieren te leren, kunnen toekomstige drones mogelijk een ongekende combinatie van wendbaarheid, stabiliteit en manoeuvreerbaarheid bereiken.

Vergelijking tussen een vliegende eekhoorn en een drone. De eekhoornafbeeldingen zijn gegenereerd met behulp van AI. © TU Delft

Vliegen als een eekhoorn

"Al tientallen jaren richt onderzoek naar bio-geïnspireerde drones zich vooral op vluchtmechanismen die zijn afgeleid van vogels, zoals vervormbare vleugels met verstelbare geometrie, klappende vleugels of structuren geïnspireerd op veren", zegt Salua Hamaza, universitair hoofddocent Aerial Physical Interaction and Embodied Intelligence aan de TU Delft. "Maar zwevende zoogdieren sturen hun vlucht op een andere manier. Zij gebruiken hun volledige lichaam als één geïntegreerd aerodynamisch systeem."

Dat vormde het uitgangspunt voor het onderzoek: welke rol speelt gecoördineerde vervorming van het hele lichaam bij zwevende zoogdieren, en wat betekent dit voor de aerodynamica van vliegende eekhoorns? Om deze vragen te beantwoorden ontwikkelde het onderzoeksteam de SquirrelDrone.

De nieuwe vliegende robot bootst drie belangrijke biologische mechanismen van zweefzoogdieren na:

1. Gecoördineerde bewegingen van voor- en achterpoten om de aerodynamische vorm tijdens de vlucht aan te passen.
2. Vervorming van ruggengraat en staart om de stand en oriëntatie van de vleugelstructuur voortdurend te veranderen.
3. Een zachte, passieve membraanstructuur, vergelijkbaar met het patagium van een vliegende eekhoorn, die onder invloed van de luchtstroming vervormt en zo indien nodig extra lift en luchtweerstand genereert.

Samen zorgen deze mechanismen voor een volledig vervormbaar vliegend lichaam, in plaats van een traditioneel vliegtuig met stijve vleugels en afzonderlijke stuurvlakken.

Testen in de windtunnel en daarbuiten

Om het systeem te evalueren voerde het onderzoeksteam uitgebreide windtunnelexperimenten en vliegtesten uit. Liming Zheng: "Omdat de drone tijdens de vlucht zijn volledige lichaamsvorm verandert, konden we hem niet beoordelen zoals een conventioneel vliegtuig met vaste vleugels. We ontwikkelden vier verschillende prototypes en combineerden vele rondes van windtunneltesten met binnen- en buitenvluchten. Dat was een uitdagend proces, maar essentieel om een biologisch concept om te zetten in een werkend robotsysteem."

De resultaten laten zien dat vervorming van het volledige lichaam drie belangrijke vliegeigenschappen aanzienlijk verbetert. Verschillende lichaamsbewegingen dragen daarbij op verschillende manieren bij aan de aerodynamische prestaties:

• Wendbaarheid: maakt snelle rotaties en heroriëntatie tijdens de vlucht mogelijk.
• Manoeuvreerbaarheid: gecoördineerde veranderingen van de vorm van het lichaam maken scherpere bochten en steilere klimmanoeuvres mogelijk.
• Stabiliteit: vervorming van het membraan, de staart en het lichaam vergroot de stabiliteit, terwijl gecoördineerde bewegingen van de ledematen ook de rolstabiliteit verbeteren.

De bevindingen suggereren dat toekomstige vliegende robots aanzienlijk adaptiever, efficiënter en robuuster kunnen worden door gebruik te maken van zachte, vervormbare structuren in plaats van uitsluitend te vertrouwen op conventionele vliegtuigontwerpen of afzonderlijke stuurvlakken.

Volgens de onderzoekers kunnen deze resultaten de deur openen naar een nieuwe generatie vervormbare luchtvaartuigen die moeiteloos kunnen schakelen tussen stabiel zweven en zeer wendbaar manoeuvreren in complexe omgevingen.