Uma ave que faz uma curva acentuada com vento lateral não depende de hélices giratórias. As asas flexionam, giram e reagem instantaneamente ao ambiente. Uma abordagem de voo que os Engenheiros da Universidade Rutgers pretendem aplicar na construção de drones.
Os drones semelhantes a pássaros podem mover-se da mesma forma, batendo as asas como fazem os pássaros. Neste caso com recurso a materiais movidos a eletricidade em vez de motores eletromagnéticos convencionais para os alimentar.
Dados de um estudo já publicado na revista “Aerospace Science and Technology“, os investigadores aeroespaciais Xin Shan e Onur Bilgen descrevem um drone “de estado sólido” semelhante a um pássaro, que designam por ornitóptero, com asas flexíveis a baterem e a girar, sem motores, engrenagens ou ligações mecânicas. O sistema baseia-se no efeito piezoelétrico, materiais especiais que mudam de forma quando lhe é aplicada uma voltagem.
“Aplicamos eletricidade aos materiais piezoelétricos, e eles movem a superfície diretamente, sem juntas, ligações ou motores extras”, disse Onur Bilgen, do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Escola de Engenharia da Universidade Rutgers. “A asa é um compósito que inclui uma camada de material piezoelétrico e uma camada de fibra de carbono. Aplicamos voltagem à camada piezoelétrica e todo o compósito flexiona.”
Os ornitópteros oferecem um nível de flexibilidade que torna os drones muito adequados para tarefas específicas, como procura e resgate, monitoramento ambiental, inspeção de locais de difícil acesso e entrega de encomendas em áreas urbanas, onde as aeronaves precisam navegar em torno de prédios, fios, pessoas e uma larga variedade de outros condicionantes.
A equipa de investigadores também desenvolveu um poderoso modelo computacional que conecta todos os aspetos físicos importantes envolvidos no voo, como: movimento das asas e da fuselagem, aerodinâmica, dinâmica elétrica e arquitetura de controlo. Isto permite que os engenheiros testem e otimizem projetos virtualmente antes de construir protótipos físicos, e assim, economizam tempo e dinheiro e aceleram o desenvolvimento.
“Demonstramos cientificamente que esse tipo de ornitóptero pode ser possível quando fazemos certas suposições sobre os materiais”, referiu Onur Bilgen. “Podemos mostrar a viabilidade de projetos que ainda não são fisicamente possíveis.”
O investigador referiu que “os materiais piezoelétricos atuais não são suficientemente capazes”, mas “o modelo matemático permite-nos vislumbrar o futuro com suposições razoáveis.”
A natureza oferece lições valiosas para os engenheiros, observando que “as asas dos pássaros são estruturas delicadas, e as asas das aeronaves imitam as asas dos pássaros”. No entanto, embora pássaros e insetos sirvam de inspiração para o desenvolvimento de um ornitóptero, os investigadores querem ir para além de uma simples imitação.
“Queremos alcançar o voo batido sem estruturas semelhantes a ossos ou atuadores semelhantes a músculos, batendo as asas de uma forma muito mais simples”, frisou o investigador.
Em vez de motores atuando como músculos, finas tiras chamadas Macro Fiber Composites (MFCs) são coladas diretamente nos modelos, em asas flexíveis. Quando a eletricidade flui através delas, as asas batem, giram e transformam-se.
“A fibra de carbono age como penas e ossos, e as MFCs montadas na superfície agem como músculos e nervos”, explicou Onur Bilgen.
Assim, como o sistema não possui engrenagens nem juntas, os investigadores denominam ornitóptero sem mecanismo ou de estado sólido.
As asas que batem oferecem vantagens que as hélices giratórias encontradas em drones convencionais não possuem, especialmente em pequenas escalas. “Quando as asas que batem entram em contato com o ambiente, elas são menos destrutivas para si mesmas e para o que tocam”, disse Onur Bilgen.
A utilização de materiais piezoelétricos ou outros materiais inteligentes também pode melhorar os sistemas de energia renovável.
“Uma pá de turbina é basicamente uma asa giratória”, disse Onur Bilgen. “Temos estudado a aplicação de materiais piezoelétricos em pás de turbina para verificar se existem benefícios aerodinâmicos.” Assim, ao alterar sutilmente o formato das pás em tempo real, os engenheiros podem vir a influenciar o fluxo de ar sobre a superfície das pás, o que poderá levar a turbinas eólicas mais eficientes.
