Nieuwe vloeistofdynamica basis voor Twentse robotvogels van de toekomst

Alexander Pil
8 maart

De eerste professionele robotvogels, zoals de Robird van de UT en Clear Flight Solutions, zijn sinds een paar jaar een feit. Ons natuurkundig begrip van hoe vogels vliegen is echter nog steeds beperkt. ‘Tot voor kort werkten we met onnauwkeurige verklaringen gebaseerd op beperkte experimentele gegevens’, aldus UT-hoogleraar Stefano Stramigioli. Dankzij Stramigioli’s werk zijn we 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.

Vooruitgang in complexe stromingsleer helpen UT-onderzoekers in de ontwikkeling van geavanceerde robotvogels.

Leonardo da Vinci droomde over machines die met hetzelfde gemak konden vliegen als vogels. Zo’n zeshonderd jaar later is het nog steeds enorm ingewikkeld om de vleugelbewegingen van vogels na te bootsen. De Robird, met zijn flappende vleugels, was al een flinke doorbraak. Maar helaas nog ver verwijderd van een waarheidsgetrouwe vogel. In 2018 ontving Stramigioli een Advanced Grant van 2,8 miljoen euro van de European Research Council om robotvogels verder te begrijpen en ontwikkelen.

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 meer 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. Dit resulteerde in de publicatie van een tweedelig paper in het Journal of Geometry and Physics. ‘De twee publicaties werden snel toegelaten en vervolgens ontvingen we een uitnodiging van de hoofdredacteur van wetenschappelijk tijdschrift Physics of Fluids om ons volgende werk ook bij dat tijdschrift in te dienen’, vertelt Stramigioli.

Eerste grote mijlpaal

Het gebruik van het port-Hamiltoniaanse model bleek een gouden ingeving van Stramigioli en zijn team. Na de 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

Nu is het team 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 dichterbij het bouwen van een robotvogel waarbij de stromingsleer optimaal wordt benut.’ Stramigioli’s droom wordt hiermee weer een stukje tastbaarder. ‘We hebben ook net een nieuw fundamenteel artikel ingediend waarin we een manier presenteren om partiële differentiaalvergelijkingen te discretiseren. Hierdoor kunnen we grenzen variëren en tegelijkertijd alle fysische grootheden van het probleem behouden. Ik ben erg trots op deze sterke vooruitgang in de computationele kant van het project’, zegt Stramigioli.

Stramigioli is een van de vijf UT-wetenschappers die eerder dit jaar European Research Council (ERC) Proof of Concept-subsidie toegekend hebben gekregen.