Uma ideia de monocopter inspirada em sementes toma voo

De um design inspirado em sementes a um tempo de vôo de 26 minutos em um único rotor, um novo monocopter desenvolvido por pesquisadores da SUTD marca uma viagem de 10 anos para redefinir a eficiência de pequenos robôs voadores.

Quando Cingapura comemorou seu 50º ano de independência em 2015, uma equipe de pesquisadores estudantis liderados pelo professor associado Foong Shaohui da Singapore University Technology and Design (SUTD) embarcou em um desafio ambicioso: projetar e construir um drone capaz de 50 minutos de voo sustentado.

Na época, a maioria dos quadcopters hobbys mal conseguia gerenciar metade disso. O projeto de drones multi-rotores SG50 foi bem-sucedido, mas, para voar por tanto tempo, o ofício tinha que ser grande, complexo e pesado.

Uma década depois, o Assoc Prof Foong alcançou novos patamares em sua pesquisa de drones – desta vez, passando pequenos e buscando uma estratégia completamente diferente. Em vez de tentar projetar o drone multi-rotor para ser mais eficiente, o que é inerentemente ineficiente pelo design, ele se voltou para a natureza para inspiração e desenvolveu um monocopter leve inspirado em Samara que atinge vôo eficiente e totalmente controlável com apenas um único atuador.

Em um estudo publicado em IEEE Robótica e cartas de automação Intitulado “Design e otimização de um monocopter leve inspirado em Samara para resistência prolongada”, ele adotou a autorotação e a eficiência aerodinâmica alavancada sobre o impulso de força bruta e demonstrou um design minimalista, porém altamente eficiente, que exageram com o controle de 32 grãos, o número de lixas que podem mais eficientes.

Faz parte de um esforço mais amplo, disse o Assoc Prof Foong, virar o design de robôs voadores de cabeça para baixo, fazendo mais com menos. Seu novo design quebrou um novo terreno para o Rotorcraft nesta classe de peso.

“A obtenção de vôo se torna cada vez mais ineficiente à medida que você diminui. Os pequenos drones geralmente têm baixa resistência porque seus pequenos hélices geram impulso limitado e ainda assim desenham poder significativo. Nosso objetivo era superar essa restrição”, acrescentou.

A solução, como se vê, era olhar para a natureza. Samaras, sementes de bordo giratórias que espiralam suavemente no chão, oferecem um modo aerodinâmico atraente, combinando estabilidade passiva com geração de elevação eficiente de uma forma lindamente simples.

“Toda parte de uma semente de bordo contribui para levantar. Nós nos inspiramos nesse princípio e construímos uma estrutura de aeronave onde nada é desperdiçado”, explicou o professor do associação Foong.

A estratégia de usar as sementes de Samara como inspiração surgiu de uma observação centrada no ser humano-algo que a IA não teria identificado por conta própria. O design da asa aprimorada foi alcançada através da otimização movida a IA, que permitiu à equipe explorar com eficiência possibilidades de design sem testar exaustivamente todas as configurações.

Em contraste com os quadcopters convencionais que controlam vários rotores, o monocopter da equipe alcança o voo com apenas um atuador. Esse motor único leva um corpo alado em uma rotação, estabilizando -o através da dinâmica passiva e fornecendo elevador através de um aerofólio grande. Sem peças, caixas de câmbio ou ligações mecânicas, o design é estruturalmente simples e, no entanto, mecanicamente eficiente.

Por trás do sucesso do monocopter está um extenso processo de otimização de design, que combina a teoria aerodinâmica clássica com a modelagem de desempenho do mundo real. Os pesquisadores do SUTD usaram um método de otimização de substituição, um tipo de algoritmo de pesquisa orientado a dados, para ajustar a forma da asa, o ângulo de arremesso e a distribuição de massa.

O drone resultante paira com um carregamento de energia de 9,1 gramas por watt, superando outros veículos micro-ar pairantes de tamanho e peso comparáveis.

“É uma conquista da primeira vez”, observou o colega de pesquisa Cai Xinyu. “Demonstramos que, com o design aerodinâmico e no nível do sistema correto, um pequeno robô aéreo pode obter resistência que rivaliza com sistemas muito maiores. Isso mostra que esse tamanho não precisa mais ser um fator limitante”.

A resistência e a simplicidade do monocopter são um benefício para missões de baixo custo e de longa duração. Entre as aplicações que estão sendo exploradas está um Radiosonde leve e reutilizável, um instrumento transmitido por balão para detecção e monitoramento do tempo, que foi o vencedor da sustentabilidade no James Dyson Award 2024.

Embora o protótipo atual use componentes disponíveis comercialmente, o trabalho futuro procurará o desenvolvimento de peças sob medida para impulsionar o desempenho ainda mais.

“A próxima etapa é aumentar a capacidade de carga útil e o tempo de voo sem aumentar significativamente o peso”, compartilhou Xinyu. “Também estamos procurando explorar materiais avançados e morfologias de asas bio-inspiradas no processo de design”.

A história do monocopter da equipe também é de continuidade. O último avanço marca uma evolução de 10 anos desde o SG50 Endurance Challenge, e a equipe está de olho em um acompanhamento simbólico: um monocopter capaz de voar mais de 60 minutos para o 60º aniversário de Cingapura.

Comparado ao quadcopter SG50 grande, o monocopter SG60 é superior em todas as métricas quantificáveis. É menor, mais simples e mais que duas vezes mais eficiente em termos de potência.

“A eficiência geralmente melhora com um aumento na escala. Aqui, revertemos isso. Conseguimos encolher o sistema enquanto fazê -lo ter um desempenho com mais eficiência”, acrescentou o Assoc Prof Foong.

O Projeto Monocopter é um exemplo perfeito de como rigorosa engenharia e pensamento atencioso de design podem transformar uma idéia inspirada na natureza em uma plataforma de tecnologia viável.

“Trata -se de entender a física subjacente, modelá -la fielmente e usar esse conhecimento para empurrar os limites do que pequenos robôs aéreos podem fazer”, refletiu o Prof Assoc FOONG. Isso inclui a aplicação da IA do design-combina o design centrado no ser humano com o poder da IA-uma parte crescente de como as equipes do SUTD criam e refinam soluções prontas para o futuro.

“Com um desenvolvimento adicional, vemos essa tecnologia desempenhando um papel fundamental em uma variedade de aplicações estabelecidas e emergentes. O céu é realmente o limite”.