Flexibele vleugels maken vliegen én zwemmen mogelijk (video)

Onderzoekers van EPFL en MIT hebben een gevleugelde robot ontwikkeld die met één aandrijfprincipe zowel door de lucht vliegt als onder water zwemt. De robot biedt nieuwe inzichten in bio-geïnspireerde beweging en kan de basis vormen voor lucht-waterdrones voor inspectie- en meettoepassingen.

Voor robots die zowel door de lucht als onder water moeten bewegen, vormt de overgang tussen beide media een grote technische uitdaging. Water is ongeveer duizend keer dichter dan lucht, waardoor de krachten op de vleugels sterk verschillen. Waar een vliegtuigvleugel in de lucht lift moet genereren, moet dezelfde constructie onder water voldoende stuwkracht leveren zonder dat de weerstand te groot wordt.

Flexibele membraanvleugels

Om dat probleem te onderzoeken ontwikkelden de onderzoekers een bio-geïnspireerde robot van minder dan 300 gram. De robot beschikt over een waterdichte romp, twee klappende membraanvleugels en een actief aangestuurde staart. De vleugels zijn voorzien van een hydrofobe coating zodat water snel van het oppervlak wordt afgevoerd. Een elektrische motor drijft via een krukmechanisme de vleugels aan, terwijl de staart de vlieghoek en duikbeweging regelt.

Eén ontwerp voor twee totaal verschillende media

Tijdens proeven in een watertank en in het Meer van Genève onderzochten de onderzoekers de invloed van vleugeloppervlak, vleugelflexibiliteit, slagfrequentie en staartstand. Daarbij bleek dat vooral de combinatie van deze parameters bepalend is voor goede prestaties.

Vleugels met een gemiddelde flexibiliteit leverden de beste compromisoplossing. Ze genereerden voldoende lift tijdens de vlucht en boden tegelijkertijd voldoende stuwkracht onder water. Opvallend was bovendien dat ingewikkelde vleugelvouwmechanismen niet noodzakelijk blijken om zowel te kunnen vliegen als zwemmen. Een zorgvuldig gekozen combinatie van vleugelgrootte, flexibiliteit en slagfrequentie blijkt voldoende.

Overgang van water naar lucht

Een bijzonder onderdeel van het onderzoek is de overgang van water naar lucht. Waar veel duikvogels hun poten gebruiken om zich vanaf het wateroppervlak af te zetten, lukt dat de robot uitsluitend met zijn vleugels. Wel vraagt deze manoeuvre een relatief groot vermogen en een steile uittredehoek van ongeveer 70 graden om te voorkomen dat de vleugelpunten het water raken.

Toepassingen

Volgens de onderzoekers vormt het ontwerp de basis voor een nieuwe generatie lucht-waterrobots. Deze zouden zelfstandig naar moeilijk bereikbare locaties kunnen vliegen, onder water metingen uitvoeren of monsters nemen en vervolgens weer terugkeren via de lucht. Mogelijke toepassingen liggen onder meer in oceaanonderzoek, kustmonitoring, inspecties van havens en offshore-installaties en ecologisch onderzoek.

Componenten bepalen prestaties

Uit de experimenten blijkt dat de prestaties vooral worden bepaald door de juiste combinatie van:

• vleugeloppervlak;
• vleugelflexibiliteit;
• slagfrequentie;
• staartstand;
• overgangshoek tussen water en lucht.

Kleinere vleugels verhogen weliswaar de snelheid onder water, maar leiden niet automatisch tot een hogere efficiëntie. Volgens de onderzoekers gebruiken duikvogels hun relatief kleine vleugels waarschijnlijk vooral om wendbaarder te zijn tijdens de jacht en niet zozeer om energie te besparen.

Meer over de ontwikkeling van de gevleugelde robot vind je in dit artikel in Science: Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings