Duits bedrijf ontwikkelt bionische bij met intelligente zwermfunctie

Het Duitse bedrijf Festo heeft een wel heel bijzondere drone ontwikkeld: de BionicBee. Deze bionische bij, die slechts 34 gram weegt en een vleugelspanwijdte van 240 mm heeft, is de kleinste vliegende creatie van Festo tot nu toe. Met een lengte van 220 mm vertegenwoordigt deze BionicBee een nieuwe mijlpaal in de ontwikkeling van autonome vliegende robots, die qua ontwerp afgeleid zijn van insecten.

Vleugelmechanisme

De BionicBee is ontworpen om in zwermen te vliegen en autonoom te bewegen, daarbij trajecten volgend die door een centrale computer worden gespecificeerd. Het lichaam van de bij herbergt een vleugelslagmechanisme, inclusief een borstelloze motor, drie servomotoren, een accu, een versnellingsbak en verschillende printplaten, evenals communicatietechnologie. Deze slimme interactie tussen de motoren en de mechanica maakt het mogelijk om de frequentie van de vleugelslagen aan te passen voor precieze manoeuvres.

De kunstmatige bij vliegt met vier vrijheidsgraden en een vleugelslagfrequentie van 15–20 Hz. De borstelloze motor drijft de vleugels aan zonder speling via een ultralicht mechanisme, waardoor ze heen en weer klappen in een hoek van 180 graden. Hoe hoger de motorsnelheid, hoe hoger de slagfrequentie en de lift. De drie servomotoren aan de basis van de vleugels veranderen hun geometrie, waardoor de effectiviteit van bepaalde vleugelposities toeneemt en variaties in lift worden gegenereerd.

Om voorwaarts te vliegen, wordt de geometrie aangepast zodat de lift in de achterste vleugelpositie hoger is dan in de voorste positie, waardoor het lichaam naar voren kantelt. Door de geometrie aan te passen zodat de rechtervleugel meer lift genereert dan de linkervleugel, rolt de bij om een longitudinale as naar links en vliegt zijwaarts. Een andere optie is dat één vleugel meer lift genereert aan de voorkant en de tweede aan de achterkant, waardoor de bij om een verticale as draait (yaw).

Indoor locatiesysteem

Het autonome zwermgedrag van de BionicBee wordt bereikt met behulp van een indoor locatiesysteem gebaseerd op ultra-wideband (UWB) technologie. Acht UWB-zenders zijn op twee niveaus geïnstalleerd, wat nauwkeurige tijdmetingen mogelijk maakt en de bijen in staat stelt zich precies te lokaliseren in de ruimte. De UWB-zenders sturen signalen naar elke bij, die de afstanden tot de zenders meten en hun ruimtelijke positie berekenen met behulp van de tijdstempels.

Voor een veilige, botsingsvrije vlucht in dichte formaties is een hoge ruimtelijke en temporele nauwkeurigheid cruciaal. Bij het plannen van de paden van de bijen moet rekening worden gehouden met mogelijke interactie tussen hen veroorzaakt door luchtturbulentie, ook wel “downwash” genoemd.

Generatieve ontwerpmethode

Voor het ontwikkelen van de BionicBee maakten de ontwikkelaars gebruik van een generatieve ontwerpmethode. Na het invoeren van enkele parameters bepaalde een softwaretoepassing de optimale structuur om zo min mogelijk materiaal te gebruiken terwijl de meest stabiele prestaties behouden blijven. Deze lichtgewicht constructie was essentieel om de wendbaarheid en de langere vliegtijden van de bij te realiseren.

Elke BionicBee is met de hand gemaakt en kleine fabricageverschillen kunnen het vlieggedrag beïnvloeden. Daarom heeft elke bij een automatische kalibratiefunctie: na een korte testvlucht bepaalt het zijn eigen geoptimaliseerde bedieningsparameters. Een algoritme berekent de hardwareverschillen tussen de individuele bijen, waardoor de gehele zwerm van buitenaf kan worden aangestuurd alsof ze allemaal identiek zijn.

Eerdere creaties

De BionicBee is de nieuwste creatie van Festo’s Bionic Learning Network, dat al meer dan 15 jaar gefascineerd is door vliegen. Eerdere creaties zijn onder andere bionische vlinders, vliegende vossen, meeuwen en gierzwaluwen, evenals waterdieren zoals zwemmende haaien, sepia’s, kwallen en octopussen, en mechatronische versies van landdieren zoals mieren, kangoeroes, kameleons, spinnen en olifanten.