O consumo excessivo de energia é amplamente considerado o maior problema dos drones e outros pequenos veículos voadores. As baterias só podem armazenar uma certa quantidade de energia, o que limita significativamente o tempo de voo dos veículos aéreos. Aumentar a capacidade da bateria também não é solução – pois aumenta o peso do veículo aéreo, o que mais uma vez limita o tempo de voo. Se algum dia os drones conseguirem atingir plenamente o seu potencial com desempenho no mundo actual, serão necessárias mais inovações tecnológicas.
Para o menor dos robôs voadores, um grupo de pesquisadores da Universidade de Princeton e da Universidade de Illinois Urbana-Champaign acredita ter um caminho melhor a seguir. Inspirados pela incrível capacidade dos gafanhotos de planar por longas distâncias, eles desenvolveram desenvolveu um modelo que poderia ajudar pequenos veículos aéreos a voar longas distâncias usando quantidades mínimas de energia.
Asas impressas em 3D que imitam as de gafanhotos (📷: Sameer A. Khan)
Os gafanhotos podem não ser as primeiras criaturas que vêm à mente quando se pensa em um vôo eficiente, mas esses insetos têm um truque valioso que falta à maioria dos voadores robóticos. Além de bater as asas para gerar impulso, os gafanhotos podem desdobrar totalmente as asas traseiras e planar, permitindo-lhes viajar distâncias significativas enquanto gastam muito pouca energia. Segundo os pesquisadores, essa capacidade de alternar entre voo motorizado e planador é o que torna os gafanhotos um modelo tão promissor para robôs em escala de insetos.
A equipe concentrou seu estudo nas asas posteriores do gafanhoto americano Schistocerca americana. Ao contrário das asas anteriores coriáceas, que desempenham principalmente um papel protetor, as asas posteriores são grandes, membranosas e capazes de bater e deslizar. Notavelmente, essas asas são onduladas, com uma série de cristas e vales que permitem que elas se dobrem perfeitamente quando não estiverem em uso.
Para entender quais características da asa eram mais importantes para um deslizamento eficiente, os pesquisadores realizaram tomografias computadorizadas detalhadas de asas reais de gafanhotos. Usando esses dados, eles criaram modelos de asas impressos em 3D que isolaram características específicas, como formato plano, perfil de curvatura e padrões de ondulação. Esses modelos foram testados em experimentos em canais de água para medir o desempenho aerodinâmico antes de serem incorporados em pequenos planadores inspirados em gafanhotos.
Membros da equipe de pesquisa (📷: Sameer A. Khan)
Verificou-se que, embora as asas corrugadas produzissem alta eficiência aerodinâmica em ângulos de ataque baixos, seu desempenho diminuía em ângulos mais acentuados. Em contraste, as asas que capturaram o formato geral da asa traseira do gafanhoto, usando um perfil de curvatura simplificado e suave, proporcionaram eficiência consistente em uma ampla gama de condições de voo. Quando lançados no Laboratório de Robótica de Princeton, esses planadores de asas lisas demonstraram desempenho de voo repetível e confiável, comparável ao de gafanhotos reais.
As descobertas sugerem que o formato e a curvatura da asa são mais críticos para um deslizamento eficiente do que apenas a ondulação. As ondulações, acredita a equipe, podem servir principalmente para permitir o dobramento e a implantação das asas, em vez de maximizar a eficiência aerodinâmica.
Ao incorporar o planeio no repertório de voo de robôs à escala de insectos, os engenheiros poderiam reduzir drasticamente o consumo de energia, permitindo o voo sem amarras com baterias mais pequenas. Isto, por sua vez, abre a porta ao desenvolvimento de futuros robôs capazes de locomoção multimodal – rastejar, saltar, bater as asas e planar conforme necessário.