21/10/2022
Door Ad Spijkers
Wetenschappers van TU Delft hebben een nieuwe manier ontdekt waarop insecten en ook drones de richting van de zwaartekracht te kunnen bepalen.
De onderzoekers hebben een theorie ontwikkeld die kan verklaren hoe vliegende insecten omhoog van omlaag kunnen onderscheiden, zonder gebruik te maken van versnellingsmeters. Deze theorie is een belangrijke stap in de creatie van kleine, autonome drones.
Drones gebruiken hiervoor gewoonlijk versnellingsmeters. Maar de manier waarop vliegende insecten dit doen, was tot nu toe in mysterie gehuld, omdat zij geen specifiek sensororgaan voor versnelling hebben. Wetenschappers van de TU Delft en de Aix Marseille Université / CNRS in Frankrijk hebben aangetoond dat drones de richting van de zwaartekracht kunnen inschatten door visuele bewegingsdetectie te combineren met een model van hoe ze bewegen. De studie is een mooi voorbeeld van de synergie tussen technologie en biologie.
Enerzijds is deze studie een belangrijke stap voor de ontwikkeling van autonome kleine drones ter grootte van een insect, omdat er minder sensoren nodig zijn. Anderzijds vormt het een nieuwe hypothese voor de manier waarop insecten hun houding controleren.
Zwaartekrachtrichting
Succesvol vliegen vereist kennis van de richting van de zwaartekracht. Toen de mens het luchtruim begon te verkennen, vertrouwden de piloten louter op het visueel waarnemen van de horizonlijn. Ze gebruikten die om de 'houding' van het vliegtuig te bepalen, dat wil zeggen de oriëntatie van het lichaam ten opzichte van de zwaartekracht. Bij het vliegen door wolken is de horizonlijn niet meer zichtbaar, wat kan leiden – en vroeger ook werkelijk leidde – tot een steeds verkeerdere indruk van wat boven en beneden is.
Ook drones en vliegende insecten moeten hun houding kunnen controleren. Drones gebruiken gewoonlijk versnellingsmeters om de richting van de zwaartekracht te bepalen. Bij vliegende insecten is echter nog geen sensororgaan gevonden om versnellingen te meten. Daarom is het voor insecten tot op heden nog een raadsel hoe zij hun houding inschatten.
Optische stroom
Het is onbekend hoe vliegende insecten hun houding schatten en controleren, maar wel is bekend dat zij beweging visueel waarnemen door middel van 'optische stroming', veroorzaakt door de relatieve beweging tussen een waarnemer en de omgeving.
"De optische stroming zelf geeft geen informatie over de houding. We ontdekten dat het combineren van optische stroming met een bewegingsmodel het mogelijk maakt om de richting van de zwaartekracht te achterhalen", aldus Guido de Croon, hoogleraar Bio-inspired Micro Air Vehicles in Delft."Het hebben van een bewegingsmodel betekent dat een robot of dier kan voorspellen hoe het zal bewegen wanneer het acties onderneemt.
Zo kunnen ook drones voorspellen wat er gebeurt als ze hun twee rechter propellers sneller laten draaien dan hun linker propellers. Aangezien de houding van een drone bepaalt in welke richting hij versnelt, en deze richting kan worden opgepikt door veranderingen in de optische stroming, stelt de combinatie ervan een drone in staat om zijn houding te bepalen."
Implicaties voor robotica
De theoretische analyse laat zien dat het vinden van de zwaartekrachtsrichting met optische stroming bijna onder alle omstandigheden werkt, behalve in specifieke gevallen zoals wanneer de waarnemer volledig stilstaat. Ingenieurs lossen zo’n probleem doorgaans op door extra sensoren toe te voegen. De onderzoekers stellen de hypothese dat de natuur dit probleem heeft geaccepteerd. Ze leverden ze een theoretisch bewijs dat, ondanks dit probleem, een standregelaar die probeert stil te hangen in de lucht, toch zal werken ten koste van lichte oscillaties. Het zo ontstane vlieggedrag doet denken aan het grillige vlieggedrag van vliegende insecten.
De nieuwe theorie heeft belangrijke implicaties voor de robotica. Verschillende onderzoeksgroepen streven ernaar autonome vliegende robots ter grootte van insecten te ontwerpen. Kleine, op insecten lijkende drones kunnen nuttig zijn voor reddingswerk of voor de bestuiving van gewassen. Het ontwerpen hiervan is je een grote uitdaging, waar ook de natuur mee te maken heeft. Hoe bereik je een volledig autonoom systeem als je zo weinig sensoren en rekenkracht mee kan dragen? Op deze schaal zijn zelfs kleine versnellingsmeters al een aanzienlijke last. De voorgestelde theorie zal bijdragen aan het ontwerp van kleine drones, omdat ze minder sensoren nodig hebben.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: TU Delft / Flapper Drones