In natura, quando un uccello, un insetto o un pipistrello spicca il volo, sembra semplice e senza sforzo. Capire come questi animali generano portanza e si muovono nell’aria si rivela molto più complesso. Il professore assistente David Lentink guida un gruppo di ricercatori laureati dell’Università di Stanford che sta utilizzando i sensori di forza/coppia di ATI per svelare questo mistero. Il team ha inventato una cosiddetta “piattaforma di forza aerodinamica” per misurare le forze aerodinamiche durante esperimenti di volo libero con uccelli ben addestrati. Gli esperimenti vengono eseguiti in vivo, che in latino significa “all’interno del vivente” e indica che l’esperimento è parallelo al comportamento naturale. Il nuovo metodo è “no-touch” e consente all’uccello di volare liberamente senza essere in alcun modo gravato dalla strumentazione, il che lo rende eccezionalmente adatto agli animali.
La ricerca sul volo comprende lo studio della struttura alare, dei movimenti delle ali e delle loro interazioni con l’aria. Di particolare interesse sono le forze che gli animali generano durante il volo per rimanere in quota ed eseguire varie manovre. In passato, queste forze dovevano essere misurate indirettamente sulla base di modelli teorici e campi di flusso misurati, oppure legando gli animali a un sistema di rilevamento. Tuttavia, le catene non possono essere utilizzate per animali di ordine superiore come gli uccelli, soprattutto perché disturberebbero il loro benessere e il loro naturale comportamento di volo. Dal punto di vista scientifico, l’approccio alla misurazione della forza con i legacci non riesce a rappresentare ciò che accade realmente quando gli animali volano, con il risultato di una modellazione fuorviante e imprecisa del comportamento di volo. Il team di Lentink ha analizzato tre modelli comunemente utilizzati, ottenendo risultati deludenti. “Tutti e tre hanno ottenuto risultati peggiori di quelli sperati e non hanno previsto la portanza in modo affidabile, il che dimostra che è necessario lavorare per migliorare i modelli”, riferisce Diana Chin, studentessa laureata a Stanford.
La piattaforma di forza aerodinamica (AFP) di Stanford con i sensori di forza/coppia ATI Nano43 montati in alto e in basso
Uno degli esperti di volo residenti a Stanford è un pappagallo del Pacifico di nome Obi. Come tutti gli altri uccelli del Lentink Lab, Obi è stato addestrato utilizzando esclusivamente il rinforzo positivo: volare su richiesta. Negli esperimenti precedenti, Obi ha volato attraverso un foglio laser saturo di piccole particelle di nebbia, indossando occhiali di sicurezza laser personalizzati. Gli occhiali sono stati progettati dall’ex studente laureato Eric Gutierrez e utilizzati per tenere Obi al sicuro durante il test di volo. Gutierrez è riuscito a ricostruire il campo di flusso intorno alle ali di Obi registrando il movimento delle particelle, in risposta al battito d’ali dell’uccello, con telecamere ad alta velocità. Ha combinato queste misurazioni del campo di flusso con i modelli aerodinamici comunemente utilizzati per ricavare stime della forza istantanea. Queste stime sono state poi confrontate con le misurazioni dirette effettuate durante una serie separata di voli di pappagalli all’interno della piattaforma di forza aerodinamica. I confronti hanno rivelato la scarsa capacità predittiva dei modelli più diffusi, evidenziando ulteriormente il valore dei metodi di misurazione diretta della forza.
Poiché si sa così poco delle forze aerodinamiche generate durante il volo, il team di ricerca di Stanford si è trovato di fronte a un compito arduo: occorreva un modo per catturare forze di portanza piccole, ma che cambiassero dinamicamente, senza l’uso di catene. Era imperativo creare un ambiente più naturale dove poter addestrare un animale a volare su richiesta e osservare le forze generate dai suoi battiti d’ala. Questi obiettivi sono diventati il catalizzatore della piattaforma di forza aerodinamica e hanno portato allo sviluppo dei nuovi esperimenti in vivo, che per la prima volta hanno misurato direttamente la portanza generata da un animale in volo.
La piattaforma di forza aerodinamica (AFP) è una camera di volo chiusa con sensori di forza/coppia Nano43 di ATI montati sulla parte superiore e inferiore. Durante i voli nella AFP, i battiti delle ali creano variazioni di pressione nell’aria che vengono tradotte dai sensori Nano43 di ATI in misurazioni della forza aerodinamica. Chin afferma: “La sensibilità e la precisione dei sensori Nano43 erano ideali per misurare le piccole forze generate dagli uccelli nella piattaforma di forza aerodinamica, e la rapida frequenza di campionamento era necessaria per risolvere le forze all’interno dei battiti d’ala” I sensori ATI F/T forniscono un feedback di forza da sei assi diversi e registrano i cambiamenti nel momento in cui si verificano, in questo caso a velocità molto elevate. I risultati di questi esperimenti offrono una visione più completa delle variazioni dinamiche di pressione durante il volo, cosa che non era possibile in precedenza.
L’integrazione dei sensori di forza/coppia ATI con la piattaforma di forza aerodinamica di Stanford consente di raccogliere dati più precisi da ogni test di volo. L’AFP è una grande conquista per il team e per la ricerca sul volo; l’abbinamento di questa nuova tecnologia con esperimenti in vivo consente di approfondire la meccanica di volo degli animali. Lentink, Chin, Gutierrez e il resto del team hanno tratto conclusioni più informate sul volo degli uccelli che faranno progredire la tecnologia dei robot volanti. Grazie a queste tecniche, il team svilupperà robot biomimetici in grado di aiutare nelle missioni di ricerca e salvataggio, di effettuare la sorveglianza in condizioni pericolose o persino di consegnare forniture mediche.
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Sensore di forza/coppia a sei assi modello Nano43
