Wat vliegende robots ons kunnen leren

‘Fruitvlieg’ is niet het eerste waar je aan denkt als je de Delfly Nimble ziet fladderen, met zijn 30cm spanwijdte. De luchtacrobatiek van de robot heeft echter veel weg van het gedrag van de fruitvlieg. Zijn ontwikkelaars konden hiermee enkele belangrijke aannames testen over hoe dit insect ontsnappingsmanoeuvres uitvoert. Hun recente publicatie in Science is nog maar het begin van wat vliegende robots ons kunnen leren over hoe insecten vliegen.

De Nimble is de meest recente robot in een lijn van ‘micro-air vehicles’, ontwikkeld door onderzoekers van het TU Delft MAVLab. “Het is ons eerste ontwerp zonder vliegtuigstaart,” zei dr. Matěj Karásek, postdoc-onderzoeker bij het MAVLab. “Net als insecten gebruikt deze robot alleen zijn vleugels voor het maken van rotaties om elk van zijn drie lichaamsassen.” Volgens dr. Guido Croon, wetenschappelijk directeur van het MAVLab, “is de Nimble een belangrijke stap richting ons ultieme doel: een ultralichte, veilige en intelligente micro-drone. Omdat de Nimble zo wendbaar is, kan hij in veel uitdagender windomstandigheden vliegen dan onze voorgaande drones met vliegtuigstaart.”

Geïnspireerd door de natuur

Stel je voor dat de Nimble rechtop staat, zoals een mens. Voor rotaties om de hoofd-voet-as (‘gieren’ in luchtvaartterminologie) duwt de Nimble de ‘onderkant’ van beide vleugelparen in tegenovergestelde richting, waardoor de vleugels onder een hoek van elkaar komen te staan. Voor rotaties om de links-rechts-as duwt de Nimble beide vleugelparen (in hun geheel) richting buik of rug. “Deze strategieën zijn vergelijkbaar met die van fruitvliegen en andere insecten,” zei Karásek. “Rollen is een uitzondering. Voor een zijwaartse rotatie (om de buik-rug-as) varieert de fruitvlieg de grootte van zijn vleugelslag, terwijl wij de frequentie van de vleugelslag aan een kant van zijn lichaam aanpassen. We kopiëren de natuur niet, maar laten ons erdoor inspireren.” Het hart van de Nimble is de autopilot van 2,8 gram. Deze programmeerbare microcontroller bevat ook de sensoren voor het bepalen van de stand en versnelling van de robot. Volgens Karásek “komen de besturingsalgoritmes overeen met hoe wij denken dat insecten vliegen.”

Met een druk op de knop

Als de Nimble geen opdracht (meer) krijgt van de afstandsbediening, dan keert hij uit zichzelf terug naar een zwevende positie. Zijn lichaam hangt dan verticaal terwijl hij zeventien keer per seconde met zijn vleugels slaat. Maar met zijn sensoren en aanpassingen in de dynamiek van zijn vleugels kan hij ook vooraf geprogrammeerde opdrachten uitvoeren. “Dit kunnen acrobatische elementen zijn zoals een draai van 360 graden, maar ook een beweging geïnspireerd op de ontsnappingsmanoeuvres van fruitvliegen,” zei Karásek. “Met een druk op de knop zetten we deze beweging in, en we krijgen de controle over de Nimble pas terug als hij weer in zweefstand hangt.”

Een kijkje in de hersenen van een fruitvlieg

“Het is heel frustrerend als fruitvliegen telkens weer weten te ontkomen aan onze pogingen om ze te pletten,” zei Karásek. “Wetenschappers hebben geprobeerd hun ontsnappingsmanoeuvres te beschrijven aan de hand van videobeelden, gemaakt met een hogesnelheidscamera. Maar voor bewijs zouden we in de hersenen van een fruitvlieg moeten kunnen kijken. Met de Nimble hebben we een alternatieve methode.” In samenwerking met Florian Muijres, bioloog en universitair docent aan Wageningen University & Research, hebben onderzoekers van het MAVLab de Nimble geprogrammeerd om deze ontsnappingsmanoeuvres na te bootsen. Ze vonden opmerkelijke overeenkomsten tussen de capriolen van de robot en die van fruitvliegen.

In formule vangen

“Onze belangrijkste ontdekking is een nieuw aerodynamisch effect dat de fruitvlieg helpt bij het maken van bochten,” zei Karásek. “Bij zowel de fruitvlieg als bij onze robot namen we rotaties om de hoofd-voet-as waar. Maar bij onze robot wisten we zeker dat dit een passief effect was omdat we het mechanisme om te gieren hadden uitgeschakeld. Deze rotatie is het gevolg van het samenspel tussen een zijwaartse beweging en het aanpassen van de vleugelstand voor rotatie om een andere as.” De onderzoekers hebben dit complexe mechanisme, waarmee de fruitvlieg zijn lichaam naar de ontsnappingsrichting draait, in een verrassend eenvoudige formule weten te vangen.

Zo behendig als een bij

Het onderzoek met de Nimble is door Science gepubliceerd. Maar volgens Karásek “is er nog zo veel meer dat we dankzij onze robots over insecten kunnen leren. En er is zoveel meer dat we van insecten kunnen leren om onze robots te perfectioneren. In een door NWO gefinancierd project, ‘To be as nimble as a bee’, werken de MAVLab onderzoekers weer samen met Wageningen University & Research. In dit project onderzoeken ze hoe vliegende insecten omgaan met plotselinge windvlagen. Ze willen ook begrijpen hoe en waarom ze niet allemaal dezelfde zintuigen gebruiken voor evenwicht en vluchtstabilisatie. “Fruitvliegjes gebruiken hiervoor zogenoemde ‘halters’, biologische gyroscopen. De gyroscopen in onze autopilot zijn op hetzelfde principe gebaseerd. Maar sommige vliegende insecten hebben geen halters en toch kunnen ze uitstekend vliegen. Welke zintuigen gebruiken zij hiervoor, en hoe gebruiken ze die?” vroeg Karásek.

Kleiner en slimmer

De huidige Delfly Nimble heeft slechts beperkte autonomie. Ja, hij vliegt draadloos, maar zijn gedrag wordt volkomen bepaald door enkele honderden regels computercode en door externe commando’s. Bovendien is de Nimble blind. Iemand moet hem besturen of hij zal ergens tegenaan vliegen. “We willen dat de Nimble intelligent genoeg is om geheel zelfstandig te vliegen, met behulp van een enkele camera,” zei Croon. “En we hebben al draadloze technologie ontwikkeld om onze drones in zwermen te laten vliegen.” Karásek verwacht dat hij de robot nog flink kleiner kan maken. Hij legde uit dat “robots met flapperende vleugels veel efficiënter kunnen vliegen dan de traditionele drone met vier propellers, met name bij verdere miniaturisatie.” Op de vraag naar een futuristische toepassing voor zulke kleine, wendbare en slimme drones, antwoordde Karásek: “Stel je een zwerm mini-Nimbles voor die autonoom door een broeikas vliegen, en die alle bloemen bestuiven.”

Meer informatie:

- Hier vind je een film van de Delfly Nimble.

- Het Science artikel vind je hier.