TU Delft ontwikkelt autonome wendbare gevleugelde insectenrobot

Onderzoekers van het Micro Air Vehicle Laboratory van de TU Delft hebben een autonome gevleugelde minidrone gemaakt, die inzicht geeft in hoe insecten zoals fruitvliegjes hun bewegingen maken.

De robot heeft de naam DelFly Nimble gekregen. Het MAVLab maakt al langer op insecten geïnspireerde robots onder de DelFly-naam. De Nimble heeft een spanwijdte van 33cm en hij weegt 29 gram. Volgens de onderzoekers is hij relatief eenvoudig te maken omdat van bestaande productiemethoden en standaardonderdelen gebruikgemaakt wordt.

Op een volledig geladen batterij kan de Nimble vijf minuten zweven of meer dan een kilometer vliegen. De kleine drone is zeer wendbaar, onder andere omdat de vleugels zeventien keer per seconde op en neer fladderen en slechts kleine aanpassingen van de bewegingen vereist zijn voor de besturing.

"Onze robot heeft een topsnelheid van 25km/u en kan scherpe manoeuvres uitvoeren, zoals flips van 360 graden, als in een looping of een rolvlucht", licht Matěj Karásek, hoofdontwerper van de robot, toe. Deze eigenschappen geven onderzoekers de mogelijkheid om inzicht te verkrijgen in de complexe vleugelbewegingen, aerodynamica en behendige manoeuvres van vliegende insecten.

Het keren en draaien van de Nimble lijkt met name op de manoeuvres zoals een fruitvliegje die uitvoert tijdens een ontsnapping, maar de insectenrobot is ook te programmeren voor andere bewegingen. Karásek en zijn collega's van het MAVLab publiceren over hun onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift Science onder de titel A tailless aerial robotic flapper reveals that flies use torque coupling in rapid banked turns.

De DelFly Nimble wordt verder ontwikkeld binnen het ttw-project "To be as nimble as a bee". Dat is een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en de universiteit van Wageningen, gefinancierd door NWO.

Reacties (30)

[Coolstart]

Wat ik me afvraag is de efficientie van klappende vleugela vs rotors. (Copters en vliegtuigen)

Als je ziet hoe duiven en bijen tientallen en honderden kilometers vliegen zonder te eten voelt dat erg efficient aan.

Ik neem aan dat er een verchil is tussen vlucht en stationair hoveren en dat het efficientieverlies groter is bij drones dan bij vliegtuigen.

[Grrrrrene]

Ik denk dat dat deels ook wel zit in de soort aandrijving: spieren zijn daar efficiënter in dan elektromotoren (niet dat elektromotoren inefficiënt zijn, in tegendeel, maar die leveren een roterende input die weer omgezet moet worden naar iets lineairs, terwijl spieren direct op de locatie waar ze nodig zijn de lineaire beweging geven). Maar waar ik altijd aan denk is zo'n fruitvliegje waar we onze kleinste batterijtjes nog niet in kwijt zouden kunnen dat wel uren achter elkaar kan vliegen. Ongelofelijk eigenlijk

[Reactie gewijzigd door Grrrrrene op 24 juli 2024 15:53]

[Mijzelf]

spieren zijn daar efficiënter in dan elektromotoren

Ik weet niet of het ook voor insecten geldt, maar bij zoogdieren zijn spieren helemaal niet zo efficiënt. De energie die nodig is komt uit de dissimilatie van adenosinetrifosfaat naar adenosinedifosfaat (ATP->ADP+P). Deze omzetting heeft een efficiëntie van 50%, oftewel, de helft wordt warmte. (Daarom krijg je het warm als je je inspant.)
Een goede elektromotor doet het veel beter.

[Grrrrrene]

Je moet natuurlijk ook naar zaken als gewicht kijken en niet puur de efficiëntie als in: energie uit / energie in. Spieren zijn vrij licht, elektromotoren vrij zwaar.

[Ximinez]

Een vleugel levert bij een voorwaartse beweging lift op. Een hoverende helicopter ontwikkeld wel lift maar dat komt volledig ten laste van het geleverde vermogen van de motor. Bij een voorwaartse beweging produceren de rotobladen extra aerodynamische lift, het zijn roterende vleugels, maar dat is minder efficient dan een statische vleugel. Bij een voorwaartse beweging veranderd de invalshoek van de aanstromende lucht. De invalshoek is een factor in de lift formule. Er is echter verschil in de hoeveelheid gegenereerde lift tussen het voorwaarts en achterwaarts roterend blad. Dat maakt het ook minder efficient en beperkt de maximale voorwaartse snelheid die een helicopter kan halen. De lift van het achterwaarts roterend blad neemt af naarmate de voorwaartse snelheid van de helicopter toeneemt. Je ziet een helicopter nimmer rechtstandig stijgen tot kruishoogte, daar is niet voldoende vermogen voor en levert de voorwaartste beweging de benodigde extra lift.

[Reactie gewijzigd door Ximinez op 24 juli 2024 15:53]

[Cluefull]

Ars Technica heeft er ook aandacht aan besteed:
https://arstechnica.com/s...as-deftly-as-a-fruit-fly/

[teacup]

Dat is inderdaad een leuk artikeltje die mij heeft doen beseffen wat dit robotje zo bijzonder maakt. Met zijn twee vleugels, en naar ik begrijp met de frequentie waarmee die vleugels flapperen, is het robotje in staat om, met beperkingen natuurlijk, zich in zes vrijheidsgraden (de drie translates en rotaties) te bewegen. Dat dit een kunst is, is te realiseren als we aan het besturen van een roeiboot denken. Probeer maar eens met twee mensen, ieder aan een kant met een roeispaan, rechtdoor te varen, of nog beter, een bocht in een smal beekje te volgen. Dat is best een ding, een goede test voor een vriendschap.

Die roeiboot is alleen maar bezig in het platte vlak. Deze vliegende robot doet iets dergelijks in de 3D ruimte. Hoe moeilijk kan het zijn? Een fruitvliegje kan het ook! Toch heeft dat 2mm kleine dingetje wel een whopping 100.000 neuronen aan hersencapaciteit tot zijn beschikking. Op het leven van een fruitvliegje afgaande zal daarvan best veel zijn gereserveerd voor het vliegen.

Het grote vraagteken zit hem voor mij in de vertaalslag van vlieg naar licht of vlieg weg bij wand naar de variatie in het aantal vleugelslagen.

[Reactie gewijzigd door teacup op 24 juli 2024 15:53]

[M14]

Mooi ... Weer iets wat ik niet kapot geslagen krijg

Ik vraag me in dit geval wel af wat een concrete toepassing kan zijn. Als onderzoeksproject is het natuurlijk ontzettend interessant.

[StefanDingenout]

In eerste instantie is vliegen beter begrijpen al concreet genoeg. Er zijn vanuit die kennis zat mogelijkheden te verzinnen voor autonome kleine vliegende robotjes.

Met sensors zouden ze bijvoorbeeld een netwerk kunnen vormen dat helpt bij zoekacties na rampen, waarbij de robots niet individueel bestuurt hoeven worden. Om maar 1 (niet militair) voorbeeld te noemen.

[Jorgen]

Maar hoe kan je nu vliegen (de beweging, niet het beestje) beter begrijpen als je daarvoor een robotje / dronetje maakt? Het robotje / dronetje doet enkel wat jij hem aan technische mogelijkheden en inputs meegeeft; die doet niet ineens een vliegbeweging van de groengerande mandarijnenwesp fruitvlieg na. Je kunt enkel de bewegingen onderzoeken die het dronetje maakt en daaruit theorieën bedenken. Pas als je helemaal weet hoe een insect vliegt en welke spiertjes en opdrachten daarvoor nodig zijn, kan je een dronetje maken waar je iets aan hebt. De fruitvlieg heeft bijvoorbeeld maar 2 vleugeltjes. Deze drone heeft er vier. Je kunt met deze drone prima allerlei vliegbewegingen onderzoeken, maar het nut richting de genoemde fruitvlieg uit het filmpje lijkt me beperkt.

[Reactie gewijzigd door Jorgen op 24 juli 2024 15:53]

[StefanDingenout]

Maar hoe kan je nu vliegen (de beweging, niet het beestje) beter begrijpen als je daarvoor een robotje / dronetje maakt?

nou

Je kunt enkel de bewegingen onderzoeken die het dronetje maakt en daaruit theorieën bedenken.

... zo dus?

Daarnaast, kun je ook het systeem heuristisch laten leren.

Pas als je helemaal weet hoe een insect vliegt en welke spiertjes en opdrachten daarvoor nodig zijn, kan je een dronetje maken waar je iets aan hebt.

Ehm, nee, het is precies andersom. Je weet welke spiertjes het heeft, maar daaruit kun je niet opmaken welke opdrachten werken, laat staan hoe zo'n klein breintje die juiste signalen weet te sturen. Dat ontdek je door het robotje te leren vliegen.

maar het nut richting de genoemde fruitvlieg uit het filmpje lijkt me beperkt

Waarom zou het nut richting de fruitvlieg moeten hebben? Het gaat erom inzicht te krijgen hoe vliegen werkt, niet om fruitvliegen te helpen of een exacte mechanische replica van fruitvliegen te maken.

[Jorgen]

Nee dat laatste snap ik. Bedoelde meer hoe je met een viervleugelig nepinsect de beweging van een fruitvlieg zou willen onderzoeken. Dat lijkt me maar beperkt nuttig/mogelijk.

Vandaar ook mijn vraag hoe nuttig dit specifieke dronetje is, aangezien hij totaal andersoortige vleugels heeft als insecten.

[StefanDingenout]

Nogmaals, het gaat er niet om om een fruitvlieg zo dicht mogelijk te benaderen maar om te begrijpen hoe de fruitvlieg dingen doet. Dat de vleugels anders zijn wil niet zeggen dat de krachten compleet anders zijn, of dat je geen begrip kunt ontwikkelen over hoe de fruitvlieg werkt. In onderzoek gebruik je bruikbare modellen, dat hoeft niet perse precies hetzelfde te zijn of zelfs maar te lijken op hetgeen je onderzoekt (of beter gezegd meestal is het behulpzaam als het niet precies hetzelfde is). En je zit met de beperkingen van je techniek. Misschien konden ze met 2 vleugels niet genoeg kracht zetten, of niet snel genoeg van kracht/richting veranderen. Ze bootsen iets met mechanica na, niet met analogen voor spieren. Het doet er uiteindelijk niet toe hoe ze iets precies bereiken als ze maar bereiken wat ze willen onderzoeken. Dat hoeft zoals gezegd niet precies hetzelfde te werken om iets te kunnen leren.

De conclusie aan het eind van de video zegt dat snelle bewegingen door torque coupling gedaan worden, zonder hulp van een staart. Dat zijn dus de twee belangrijke punten. Hoe die torque coupling precies gecreëerd word is minder relevant dan het inzicht dat het torque coupling is en hoe dat werkt.

[bigbadbull]

Door het bestuderen van de fruitvlieg analyseer je het bewegingspatroon (zie laatste foto in artikel)
hierop maak je een theorie van hoe de beweging gebeurd en die toets je af in de praktijk met een drone te ontwikkelen met dezelfde eigenschappen en de bewegingen analoog aan het origineel te programmeren.
Als daarna blijkt dat die goed overeen komen, is je theorie correct.
is het gedrag en besturing niet overeenstemmend, dan heb je ofwel je drone slecht gebouwd, of een verkeerde theorie gemaakt.
dit is toch bijna de basis van elk wetenschappelijk onderzoek ? analyseren, theoretiseren, praktiseren (testen). het maken van de drone en programmeren is het laatste deel in het onderzoek.
10 jaar geleden was dit praktisch ondenkbaar om te doen.

Nu men de juiste theorie heeft, kan men nadenken over toepassingen.

[jdh009]

Je zou met ai de robotjes sneller kunnen laten ‘evalueren’ door ze te laten leren van hun fouten in het vliegen en in combinatie met simulaties nieuwe generaties te creëren. Kon me herinneren dat ze dit ook bij één van de tweakers meet ups besproken hadden over AI. Doet boston dynamics niet hetzelfde met hun robot hond?

[rept]

Inderdaad, dit noemt reinforcement learning.

[relinquir]

Het nadoen van een insect is natuurlijk niet het hoofddoel van het onderzoek. Er wordt vooral naar insecten(natuur) gekeken voor inspiratie als het gaat om toepassingen van vliegen. Dat deden mensen ook al tijdens de eerste pogingen om te vliegen. Toen sprongen mensen met klapperende vogelconstructies van hoge punten af omdat ze ervan overtuigd waren dat een vogel imiteren zou werken.
Waar een insect zich onderscheid is de ongelofelijke wendbaarheid die ze hebben met vliegen. Dit zie je niet terug in vliegtuigen of quadrotors en is dus een intressant onderzoeksgebied, op hardware vlak, aerodynamisch vlak en regeltechnisch.

[Dennnniss]

Bestuiving van planten lijkt me een goede toepassing.

[StefanDingenout]

als we nou de bijen niet uitroeien lijkt me toch beter hoor

[Dennnniss]

Uiteraard is dat de beste oplossing!

[lololig]

Je zou er een consumenten product van kunnen maken, of spy drones of weet ik wat nog meer

[unclero]

Gegarandeerd dat die dingen volgend jaar op DealExtreme staan

En ik durf mijn hand ervoor in het vuur te steken als een paar maanden later zo'n kek vliegding 'geheel per ongeluk en toevallig' de kleedkamer van een lokale hockeyclub in is gevlogen.

[Cyb]

Je verwacht een één of ander hightech future achtige insectendrone, maar daarintegen ziet het ontwerp er eenvoudig en elegant uit, wat het eigenlijk nog mooier maakt. De natuur heeft d.m.v. duizenden jaren aan evolutie vaak gewoon de mooiste oplossingen voor complexe problemen.

[Reactie gewijzigd door Cyb op 24 juli 2024 15:53]

[divvid]

In hoeverre kun je dit nu vergelijken met de minidrones van het John Hopkins?

[Reactie gewijzigd door divvid op 24 juli 2024 15:53]

[EricJFKleijssen]

Doet me denken aan die aflevering van Black Mirror "Hated in the Nation" - met elke op zichzelf fantastische technische ontwikkeling ben ik wel benieuwd naar de "rode stop-knop"

[BlueKingNL]

"Autonome wendbare gevleugelde insectenrobot"
Woord/zin van het jaar?

[bonzen]

Deze doet me heel erg denken aan dat oude modelletje van Wowwee :
https://youtu.be/p7j6KPbn4eE

Zo te zien zijn er ook soorten fruitvliegen met 4 vleugels.
https://gervanpoelgeest.w...het-bewijs-voor-evolutie/

[L V S]

Ik moest gelijk denken aan die weps in Richie Rich.

[madmaxnl]

Black Mirror!!! OMG