In een bevinding die het drone-ontwerp ten goede zou kunnen komen, prijswinnend onderzoek door een promovendus aan de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH) toont aan dat de golvende vliegroutes van monarchvlinders eigenlijk energiezuiniger zijn dan een rechtlijnig pad.

Madhu Sridhar's paper won de 2019 AIAA Atmospheric Flight Mechanics Graduate Student Paper Competition en hij werd bekroond op het AIAA SciTech Forum 2020 dat onlangs in Orlando werd gehouden, Fla. Het AIAA Scitech Forum is de grootste jaarlijkse ruimtevaartconferentie en richt zich op onderzoeks- en technologische bevindingen in de ruimtevaartgemeenschap. Het AIAA SciTech Forum 2020 omvatte meer dan 2, 500 technische presentaties met meer dan 5, 000 deelnemers.

Sridhar modelleerde en analyseerde het stroomverbruik van monarchvlinders terwijl hij werkte in het Autonomous Tracking Optical Measurement (ATOM) laboratorium van UAH onder leiding van Dr. Chang-kwon Kang, een universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, en Dr. Brian Landrum, een universitair hoofddocent en de universitair hoofddocent van de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Het onderzoek werd ondersteund door financiering van de National Science Foundation.

De bevinding dat een golvend vluchttraject minder energie verbruikte, kan waardevol zijn in het bio-geïnspireerde ontwerp van miniatuurrobotdrones met een groot bereik.

"Een van de onderliggende doelen van onze studie is het ontwikkelen van een drone die net zo lang kan vliegen als een migrerende monarch, " zegt Sridhar. "De jaarlijkse migratie van monarchvlinders is de langste onder insecten. Het kunnen er 3 zijn, 000 kilometer lang! Zelfs de ultramoderne drones kunnen deze lange afstanden niet laten zien."

Onderzoekers gebruikten een vereenvoudigd analytisch vlindermodel in het onderzoek, gericht op het dynamische samenspel tussen de aerodynamica van de vleugel en de dynamiek van het lichaam, zegt Sridhar, die uit Bangalore komt, Indië.

"Dit artikel laat zien dat dit model redelijk goed overeenkomt met experimentele gegevens, " zegt hij. "We hebben camera's voor het volgen van bewegingen gebruikt om een ​​reeks vluchttrajecten en vleugel- en lichaamsbewegingen van vrij vliegende monarchvlinders in ons ATOM-lab vast te leggen."

Als er voordelen zijn aan de golvende baan die vlinders gebruiken, waarom gebruiken bijen of vliegen het niet?

"Deze studie toont aan dat de gecoördineerde vleugel- en lichaamsbewegingen die een hobbelig traject volgen, een lager vermogen vereisen voor een klapperende vleugel op de schaal van de monarch, " zegt hij. "Voor kleinere insecten vermindert dit krachtvoordeel, dat is waarschijnlijk de reden waarom ze in een rechte baan vliegen."

Of vlinders een biologisch vooraf bepaald vluchtpatroon gebruiken of gewoon willekeurige golvingen is een van de vele vragen voor toekomstig onderzoek. Sridhar onderzoekt ook hoe de vlinders vlieghoogten selecteren.

"Van monarchen is bekend dat ze op verschillende hoogten vanaf de grond vliegen langs hun migratieroute, wat we heel interessant vinden, "zegt hij. "We weten niet waarom ze ervoor kiezen om hoger te vliegen in plaats van op grondniveau."

Op grotere hoogte kan de verminderde luchtdichtheid de monarchvlucht ten goede komen, theoretiseren de wetenschappers.

"Dus, om dit te testen, we hebben experimenten uitgevoerd met monarchvlinders in de grote vacuümkamer van het UAH Propulsion Research Center, waar we de vluchten bij lucht met een lagere dichtheid registreerden tot 4, 000 meter boven zeeniveau, "zegt Sridhar. "Dit helpt ons te observeren hoe hun vleugel- en lichaamsbewegingen veranderen als de luchtdichtheid wordt verlaagd."

Aanvullend, onderzoekers gebruiken computersimulaties om te onderzoeken hoe lucht met een lage dichtheid de flexibiliteit van monarchvleugels beïnvloedt.