04/03/2022
Door Ad Spijkers
Een team aan Universiteit Twente koppelt de mechanica van vleugelvervorming aan de 3D-stromingsdynamica rondom vleugels.
Leonardo da Vinci droomde over machines die met hetzelfde gemak konden vliegen als vogels. Zo'n 600 jaar later is het nog steeds enorm ingewikkeld om de vleugelbewegingen van vogels na te bootsen. De eerste professionele robotvogels, zoals de Robird van Universiteit Twente en Clear Flight Solutions, bestaan nu een paar jaar.
De Robird met zijn flappende vleugels was al een flinke stap voorwaarts, maar nog ver verwijderd van een waarheidsgetrouwe vogel. Ons natuurkundig begrip van hoe vogels vliegen is nog steeds beperkt. ''Tot voor kort werkten we met onnauwkeurige verklaringen gebaseerd op beperkte experimentele gegevens'', aldus prof. dr. ir. Stefano Stramigioli. Dankzij zijn werk is de wetenschap een stuk dichter bij het begrijpen van de complexe fysica van vleugels; een belangrijke stap richting robotvogels die opstijgen, vliegen en landen als echte vogels.
Theoretische inzichten
Het eerste nieuwe inzicht dat de onderzoekers presenteerden was een beschrijving van de precieze rol van advectie in de Navier-Stokes-vergelijkingen. Deze vergelijkingen worden onder andere gebruikt om het weer te voorspellen, maar ook om de complexe stromingsleer van vliegtuigen te modelleren. Door gebruik te maken van het zogenaamde port-Hamiltoniaanse model wist het team een nauwkeurige beschrijving te produceren.
Het gebruik van het port-Hamiltoniaanse model bleek een gouden ingeving van Stramigioli en zijn team. Na publicatie van hun paper in Physics of Fluids bogen ze zich weer over hun grootste obstakel en de hele reden waarom ze het project gestart zijn . Door gebruik te maken van het port-Hamiltoniaanse model is het team erin geslaagd om de mechanica van de vervormingen van de vleugels te koppelen aan de 3D-stromingsdynamica van de 'vloeistoffen' rond die vleugels. Dit leidde tot een volgende publicatie in het Journal of Geometry and Physics én de eerste grote mijlpaal van het project.
De vogel bouwen
Het team is nu klaar om de experimentele fase in te gaan. ''We zijn momenteel bezig met het bouwen van installaties en meetsystemen om data te verzamelen en uiteindelijk onze modellen te testen en de besturingsuitdagingen in kaart te brengen'', zegt Stramigioli. ''Zodra we solide experimentele gegevens hebben, zijn we een stap dichter bij het bouwen van een robotvogel waarbij de stromingsleer optimaal wordt benut.''
Stramigioli's droom wordt hiermee weer een stukje tastbaarder. Zijn team heeft een nieuw fundamenteel artikel ingediend waarin ze een manier presenteren om partiële differentiaalvergelijkingen te discretiseren. Hierdoor kunnen ze grenzen variëren en tegelijkertijd alle fysische grootheden van het probleem behouden.
In 2018 richtte Stramigioli een multidisciplinair team op om te werken aan zijn project 'PortWings – Decoding the Nature of Flapping Flight by port-Hamiltonian System Theory' (De aard van de slagvlucht ontcijferen aan de hand van de port-Hamiltoniaanse systeemtheorie). In februari 2022 heeft Stramigioli een Proof of Concept-subsidie toegekend gekregen voor het Portwings-project.
Foto: Universiteit Twente