Roboticahoogleraar prof. Stefano Stramigioli van de Universiteit Twente en zijn team zijn er na jaren onderzoek in geslaagd om methoden te ontwikkelen die in staat zijn om een robotvogel precies te modelleren. De Robird bestond al een paar jaar, maar er waren nog geen wiskundige methoden waarmee de beweging van een flexibele vleugel consistent konden worden vastgelegd. “Hiermee koppelen we natuurkunde, engineering en thermodynamica aan elkaar. Dit model kan ook voor veel andere toepassingen worden gebuikt.”
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 de vleugelbewegingen van vogels na te bootsen én in kaart te brengen. Ook Stefano Stramigioli droomde er al jaren van: een echte, waarheidsgetrouwe robotvogel die ingezet kan worden bij het verjagen van echte vogels in de buurt van vliegtuigen of bij windmolens.
Europese subsidie (2,8 miljoen)
Stramigioli ontving in 2018 een Advanced Grant van de European Research Council (ERC). Het ging daarbij om een bedrag van 2,8 miljoen euro voor dit PORTWINGS-project. De onderzoekssubsidie werd de afgelopen jaren gebruikt om de huidige doorbraak te realiseren. Er werd een team van excellente wetenschappers geformeerd en een printer aangeschaft om nieuwe concepten te ontwikkelen. Ook werd het geld ingezet om de rekenkracht van labcomputers uit te breiden.
Natuurgetrouw
“De robird was al redelijk uniek in de wereld”, vertelt Stramigioli. “Maar we begrepen eigenlijk nog niet precies hoe de natuur werkt. De robotvogel was leidend en we hebben nu enorm veel kennis vergaard die een fundament kan vormen voor veel engineering-projecten.”
Het doel binnen dit project was om de natuurkunde rond het vliegen zo goed mogelijk te begrijpen. Denk aan de interactie tussen vleugel en wind. Stramigioli: “Tot voor kort werkten we met onnauwkeurige verklaringen gebaseerd op beperkte experimentele gegevens. Maar als wetenschappers zijn we nu 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. Met deze kennis kunnen we nog betere robotische vogels bouwen en onderzoekers en bedrijven uit andere disciplines kunnen onze kennis en modellen ook inzetten.”
Meeliften op de wind
Een nieuw inzicht rondom de robotvogel dat de onderzoekers eerder tijdens dit project al deelden, was een beschrijving van vloeistoffen in zogenaamde 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 port-Hamiltoniaanse model is het team erin geslaagd de mechanica van de vervormingen van de vleugels te koppelen aan de 3D-stromingsdynamica van de 'vloeistoffen' rond die vleugels. Het gebruik van dit model bleek een gouden ingeving van Stramigioli en zijn team. De inzichten hebben geleid tot een nieuwe methode om de fysica simuleren. Ook is er een aantal publicaties in gerenommeerde wetenschappelijke tijdschriften uit voortgekomen, zoals Physics of Fluids, Geometry and Physics, Journal of Nonlinear Sciences, Journal of Computational Physics en de nieuwe open source library Phyem.
Flappende vleugel
Naast de nieuwe fundamentele methoden, wilden de onderzoekers ook in staat zijn om 3D metingen te doen van de flappende vleugel, die geen steady flow bevat zoals een vliegtuig. Om dat te kunnen doen is er geïnvesteerd in hoogwaardige apparatuur, zoals hogesnelheid camera’s.
Meer info: http://www.portwings.eu/
Het Portwings team. In het midden Stefano Stramigioli
Master Robotics
Stefano Stramigioli is gepassioneerd over de toekomst van robotica en mechatronica. Dit brengt hij mee naar de Master Robotics van de Universiteit Twente, maar ook naar topuniversiteiten in het buitenland. Momenteel verblijft hij in Italië, waar hij college geeft op universiteiten in Bologna en Rome. “Het niveau in Rome is hoog”, vertelt Stramigioli. “Niet voor niets heeft Enrico Fermi, één van de grootste natuurkundigen allertijden, op deze universiteit zijn tijd doorgebracht. Ik zie veel interesse bij studenten en docenten in robotica, dat doet me goed.”
