UTDSINieuwsNieuwe vloeistofdynamica basis voor vliegende robots van de toekomst

Nieuwe vloeistofdynamica basis voor vliegende robots van de toekomst

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 prof. dr. ir. 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.

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 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 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. 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 dichter bij 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.

Multidisciplinair team

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). Het oorspronkelijke team bestond uit prof. Frederic Schuller, dr. Federico Califano, dr. Ramy Rashad Hashem en een aantal collega's die met hen hebben samengewerkt. Inmiddels is het team versterkt met Riccardo Sneep (promovendus in Engineering), Luuk Groot Koerkamp (Lead windtunnelexperimenten), Alexander Dijkshoorn (promovendus in Intelligent Materials) en Andrea Brugnoli (postdoc in port-Hamiltoniaanse numeriek). In februari 2022 heeft Stramigioli een Proof of Concept-subsidie toegekend gekregen voor het PORTWINGS-project. Bezoek de website van PortWings voor meer informatie over het project.

Projectinformatie

Titel: PortWings – Decoding the Nature of Flapping Flight by port-Hamiltonian System Theory

Hoofdonderzoeker: prof. dr.ir. Stefano Stramigioli

Kernteam: dr. Federico Califano, Ramy Rashad Hashem, ir. Alexander Dijkshoorn, ir. Luuk Groot Koerkamp, ir. Riccardo Sneep MSc en dr. Andrea Brugnoli

Tot nu toe in samenwerking met: prof. dr. Arjan van der Schaft (Rijksuniversiteit Groningen), prof. dr. Hans Zwart, prof. dr. Kees Venner, prof. dr. Bernard Geurts, prof. dr. Dannis Brouwer, prof. dr. Gijs Krijnen, prof. dr. Federic Schuller, prof. dr. Harry Hoeijmakers, dr. Leandro de Santana

Dit project, met als thuisbasis de Universiteit Twente, wordt gefinancierd door de ERC 2018 Advanced Grant van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Commissie onder subsidieovereenkomst nr. 787675.

K.W. Wesselink MSc (Kees)
Wetenschapscommunicatiemedewerker (aanwezig ma-vr)