Sayap yang terinspirasi dari burung kolibri mendeteksi arah angin dengan akurasi 99%.

Deteksi angin yang terinspirasi secara biologis menggunakan sensor tegangan pada sayap fleksibel dapat merevolusi strategi pengendalian penerbangan robotik. Para peneliti di Tokyo Institute of Science telah mengembangkan metode untuk mendeteksi arah angin dengan akurasi 99% menggunakan tujuh pengukur regangan pada sayap yang mengepak dan model jaringan saraf konvolusional.

Kemajuan ini, yang terinspirasi oleh reseptor stres alami pada burung dan serangga, membuka kemungkinan baru untuk meningkatkan kontrol dan kemampuan beradaptasi dari kepakan sayap. robot udara dalam kondisi angin yang berbeda.

Serangga terbang dan burung memiliki reseptor mekanis di sayapnya yang mengakumulasi ketegangan. data sensorikmungkin membantu kontrol penerbangannya. Reseptor ini mungkin mendeteksi perubahan pada angin, gerakan tubuhdan kondisi lingkungan, memungkinkan penyesuaian respons dilakukan selama penerbangan.

Terinspirasi oleh sayap alami dengan reseptor stres, para peneliti mengeksplorasi bagaimana penginderaan tegangan sayap dapat mengekstrak informasi dari aliran di sekitarnya menggunakan robot pengepak biomimetik.

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Sistem cerdas yang canggih Pada tanggal 11 November 2024, para peneliti di Tokyo Institute of Science, dipimpin oleh Associate Professor Hiroto Tanaka, menyelidiki penggunaan sensor regangan pada sayap burung kolibri yang fleksibel dan mimesis untuk mendeteksi arah aliran secara akurat selama kepakan tertambat di a terowongan angin mensimulasikan penerbangan melayang dalam kondisi angin sepoi-sepoi.

“Robot udara kecil tidak mampu membeli peralatan penginderaan aliran konvensional karena keterbatasan berat dan ukuran. Oleh karena itu, akan bermanfaat jika penginderaan tegangan sayap sederhana dapat digunakan untuk mengenali kondisi aliran secara langsung tanpa perangkat tambahan khusus,” kata Tanaka.

Para peneliti memasang tujuh alat pengukur regangan, yang merupakan barang komersial berbiaya rendah yang banyak digunakan, pada struktur sayap fleksibel yang meniru sayap burung kolibri. Sayap ini terdiri dari poros berbentuk kerucut yang menopang lapisan sayap yang mirip dengan struktur sayap alami.

Sayap dipasang pada mekanisme kepakan yang digerakkan oleh motor DC melalui mekanisme scotch yoke dan roda gigi reduksi, yang menghasilkan gerakan kepakan maju dan mundur, dengan kecepatan 12 siklus per detik.

Para peneliti menerapkan angin yang sangat lemah sebesar 0,8 m/s pada mekanisme di terowongan angin. Ketegangan sayap diukur selama mengepakkan sayap pada tujuh arah angin yang berbeda (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, dan 90°) dan dalam kondisi tanpa angin. Model jaringan saraf konvolusional (CNN) untuk pembelajaran mesin data deformasi digunakan untuk mengklasifikasikan kondisi angin ini.

Alhasil, peringkatnya tinggi ketepatan 99,5% dicapai dengan menggunakan data regangan dengan durasi satu siklus flutter. Bahkan dengan panjang data yang lebih pendek yaitu 0,2 siklus flap, akurasi klasifikasi tetap tinggi yaitu 85,2%.

Dengan hanya menggunakan satu ekstensometer, akurasi klasifikasi juga tinggi, berkisar antara 95,2% hingga 98,8% dengan panjang data satu siklus flutter, sedangkan akurasi klasifikasi turun tajam menjadi 65,6% atau kurang dengan data pendek 0,2 siklus. Hasil ini menunjukkan bahwa deteksi tegangan sayap di beberapa lokasi memungkinkan arah angin pengenalan dengan presisi tinggi hanya dalam 0,2 siklus kepakan.

Dengan menghilangkan poros sayap bagian dalam, akurasi klasifikasi menurun. Tingkat penurunannya adalah 4,4% dengan data 0,2 siklus dan 0,5% dengan data 1 siklus ketika semua strain gauge digunakan. Selanjutnya bila hanya menggunakan satu ekstensometer, penurunan rata-ratanya sebesar 7,2% untuk data 1 siklus dan 6% untuk data 0,2 siklus. Hasil ini menunjukkan bahwa struktur sumbu sayap biomimetik meningkatkan kemampuan penginderaan angin pada sayap.

“Penelitian ini berkontribusi pada berkembangnya pemahaman bahwa burung dan serangga di udara dapat merasakan angin secara sensitif melalui deteksi ketegangan pada kepakan sayap mereka, yang akan bermanfaat untuk kontrol penerbangan yang sensitif. Anda dapat melakukan sistem serupa dalam biomimetik finning.ke robot udara menggunakan pengukur regangan sederhana,” Tanaka menyimpulkan.