A Rutgers Egyetem kutatói egy szárnycsapásos drónt fejlesztenek. Motorok és hajtóművek helyett itt maga az anyag mozgatja a szárnyakat. A drónok ma szinte mindig ugyanazon az elven működnek. Kis elektromotorok hajtják a propellereket, és így hozzák létre a szükséges tolóerőt. Ez hatékony, jól szabályozható, és évek óta bevált technológia. A Rutgers Egyetem kutatói most más utat választanak. Egy olyan drónon dolgoznak, amely madárként csapkodja a szárnyait – és közben nélkülözi a hagyományos motorokat, hajtóműveket és csuklókat.
A középpontban egy úgynevezett ornithopter áll, vagyis egy csapkodó szárnyú repülő szerkezet. Ilyen koncepciók már régóta léteznek. Az újdonság itt a meghajtás módja. Az energia továbbra is elektromos forrásból származik. A hagyományos drónoktól eltérően azonban a mozgás nem elektromotorokon keresztül jön létre, hanem közvetlenül a szárnyszerkezetben elhelyezett piezoelektromos aktuátorok révén.
Amikor az anyag mozgatja a szárnyat
A piezoelektromos anyagok megváltoztatják alakjukat, amint feszültséget kapcsolnak rájuk. Pontosan ezt a jelenséget használja ki a Rutgers csapata. A szárnyak szénszálas és piezoelektromos rétegekből álló kompozitból készülnek. Ha feszültséget alkalmaznak, a szerkezet meghajlik és elcsavarodik. A mozgás tehát közvetlenül ott keletkezik, ahol szükség van rá: magában a szárnyban. Onur Bilgen így írja le az elvet: „Feszültséget adunk a piezoelektromos anyagokra, és ezek közvetlenül mozgatják a felületet, további csuklók, kapcsolatok vagy motorok nélkül. A szárny egy kompozit anyag, amely egy piezoelektromos réteget és egy szénszálas réteget tartalmaz. Ha feszültséget kapcsolunk a piezoelektromos rétegre, az egész kompozit meghajlik.” Ehhez úgynevezett Macro Fiber Composite-ok (MFC-k) kerülnek alkalmazásra. Ezek vékony, piezoalapú aktuátorok, amelyeket közvetlenül a rugalmas szárnyszerkezetre ragasztanak. Ha áram folyik rajtuk, deformálódnak. Ennek hatására nemcsak maga a szárnycsapás jön létre, hanem a szárny állásszöge is folyamatosan változik a beáramló levegőhöz képest.
Kevesebb mechanika, új lehetőségek
A megközelítés azért különösen érdekes, mert leegyszerűsíti a mechanikát. Sok eddigi „madárdrón” kis motorokkal, hajtóművekkel és karokkal működik. Ez működőképes, de többlettömeget, súrlódást és kopást is jelent. A Rutgers ezt szeretné elkerülni, és magát a szárnyat aktív szerkezeti elemmé tenni. Ez előnyös lehet a kis repülő robotoknál. A rugalmas szárnyak másképp reagálnak a környezettel való érintkezésre, mint a merev propellerek. Inkább engednek, mintsem keményen ütköznek. Ez előnyt jelenthet szűk terekben vagy emberek közelében történő repülésnél. Bilgen így fogalmaz: „Ha a csapkodó szárnyak érintkezésbe kerülnek a környezettel, kevésbé károsak önmagukra és arra is, amivel érintkeznek.” A kutatók lehetséges alkalmazási területekként keresési és mentési műveleteket, környezeti megfigyelést, nehezen hozzáférhető helyek vizsgálatát vagy sűrűn beépített területeken végzett repüléseket említenek. Hogy ebből valóban mindennapi használatra alkalmas rendszerek lesznek-e, még kérdéses. Elképzelhető azonban az alkalmazás ott, ahol a hagyományos drónok gyorsan elérik a határaikat – például szűk helyeken, akadályok közelében vagy kényes ellenőrzési feladatoknál.
Az igazi előrelépés a modellben rejlik
A lényeg valójában a koncepció mögötti modell. Ebben a csapat összekapcsolja az aerodinamikát, a szerkezetet, az elektromos gerjesztést és a repülési mozgást. Egy ornithopter esetében ezeket nehéz külön kezelni, mert a szárny minden mozgása azonnal megváltoztatja az áramlást – és ezzel együtt a szerkezet terhelését is. A fejlesztés szempontjából ez valódi előny. Az új terveket először virtuálisan lehet vizsgálni és módosítani, mielőtt prototípusok készülnének. Ez csökkenti a ráfordítást, és segít korábban felismerni a zsákutcákat. Bilgen azonban óvatosan fogalmaz: „Tudományosan igazoltuk, hogy ez a fajta ornithopter lehetséges, ha bizonyos anyagfeltételezéseket teszünk.” Majd hozzáteszi: „Olyan konstrukciók megvalósíthatóságát is meg tudjuk mutatni, amelyek fizikailag még nem kivitelezhetők.” A koncepció még messze van egy bevethető repülő eszköztől. A jelenlegi munka elsősorban azt mutatja meg, hogy egy ilyen ornithopter bizonyos feltételek mellett műszakilag modellezhető és számítható.
