Dopo gli altri oggetti volanti, con BionicBee il team di Festo ha sviluppato per la prima volta un oggetto in grado di volare in gran numero e in modo completamente autonomo in uno sciame.
Con il progetto Bionic Learning Network, da oltre 15 anni Festo sta esplorando il fascino del volo realizzando oggetti volanti che implementano tecnologie derivate dai modelli biologici.
Dopo gli oggetti volanti che imitano il comportamento in volo di gabbiani, libellule, farfalle e pipistrelli, con BionicBee, Festo ha sviluppato per la prima volta un oggetto in grado di volare in gran numero e in modo completamente autonomo in uno sciame.
Oggetti volanti ultraleggeri con design in filigrana
Con un peso di circa 34 grammi, una lunghezza di 22 centimetri e un’apertura alare di 24 centimetri, BionicBee è il più piccolo oggetto volante della Bionic Learning Network. Per la prima volta, gli sviluppatori hanno utilizzato la metodologia del design generativo: dopo aver inserito alcuni parametri, il software trova la struttura ottimale in base a principi di progettazione definiti, al fine di utilizzare la quantità minore di materiale necessaria con la costruzione più stabile possibile. Tale struttura, leggera e consistente, è elementare per garantire una buona manovrabilità e una buona durata di volo.
Integrazione di funzioni in uno spazio ridotto
All’interno del corpo dell’ape si trovano la struttura compatta del meccanismo per il battito d’ali, il modulo di comunicazione, nonché i componenti di comando per le ali e l’adattamento della geometria dell’ala. Un motore brushless, tre servomotori, la batteria, il riduttore e varie schede circuitali sono installati in uno spazio molto ridotto. Tramite l’interazione intelligente dei motori e dei sistemi meccanici, è ad esempio possibile controllare con precisione la frequenza dello sbattimento delle ali, così da permettere varie manovre.
Manovre di volo naturali con quattro gradi di libertà
L’ape artificiale vola con una frequenza di 15-20 Hertz. Le ali battono avanti e indietro con un angolo di 180 gradi. Il motore brushless aziona il battito d’ali senza gioco, grazie a una struttura meccanica ultraleggera a guida precisa. Maggiore è la velocità, maggiore è la frequenza di battito e la spinta ascensionale. I tre servomotori alla radice alare modificano la geometria dell’ala in modo mirato, aumentandone così l’efficacia in determinate posizioni e determinando una variazione mirata della spinta ascensionale generata.
Se l’ape deve volare in avanti, la geometria viene regolata in modo che la spinta ascensionale nella posizione posteriore dell’ala sia maggiore rispetto alla posizione anteriore. Questo fa sì che il corpo si inclini in avanti (nick) e l’ape spicchi il volo. Se la geometria è impostata in modo che l’ala destra generi più spinta di quella sinistra, l’ape rotola (roll) intorno all’asse longitudinale verso sinistra e vola lateralmente. Un’altra possibilità è quella di regolarla in modo che un’ala generi maggiore spinta nella parte anteriore e la seconda ala nella parte posteriore, facendo così ruotare (gear) l’ape intorno all’asse verticale.
Volo autonomo nello sciame
Il comportamento autonomo delle dieci api si ottiene grazie all’aiuto di un sistema di localizzazione indoor con tecnologia a banda ultralarga (UWB). A tale scopo, sono stati installati otto ancoraggi UWB su due livelli nel locale. Ciò consente una misurazione accurata del tempo di funzionamento e le api possono localizzarsi nello spazio. Gli ancoraggi UWB inviano segnali alle singole api, che misurano in modo indipendente le distanze dai rispettivi elementi trasmittenti e possono calcolare la propria posizione nello spazio, utilizzando la marcatura temporale.
Per volare in uno sciame, le api seguono i percorsi indicati da un computer centrale. Per un volo sicuro e privo di collisioni in formazione ravvicinata è necessaria un’elevata precisione a livello di spazio e tempo. Nella progettazione della traiettoria si deve tenere conto anche della possibile interazione reciproca dovuta alla turbolenza dell’aria (“down-wash”).
Poiché ciascuna ape è costruita a mano e anche le più piccole differenze di fabbricazione possono influenzare il comportamento di volo, le api dispongono inoltre di una funzione di calibratura automatica: dopo un breve volo di prova, ogni ape determina i propri parametri di regolazione ottimizzati individualmente. In questo modo, l’algoritmo intelligente può elaborare le differenze hardware tra le singole api, consentendo di controllare l’intero sciame dall’esterno come se fossero tutte identiche.
