Peneireiro robô no túnel de vento da RMIT revela segredos do voo estável

O peneireiro é um pequeno falcão, um caçador de vista apurada que se observa muitas vezes sobre campos abertos e junto a estradas.

Apesar do tamanho, esta ave de rapina consegue manter-se quase imóvel num vento forte. Paira sobre o solo com os olhos presos na presa lá em baixo, enquanto rajadas capazes de baralhar por completo um pequeno drone mal o deslocam.

Há muito que esta capacidade intriga quem projecta máquinas voadoras.

Em ar agitado e cheio de rajadas, aeronaves pequenas têm dificuldades em manter a estabilidade. As aves enfrentam as mesmas condições com uma facilidade que parece natural.

Um grupo de investigadores decidiu perceber qual era o “truque”. Para isso, construiu um peneireiro robótico e pô-lo à prova dentro de um túnel de vento.

Manter-se parado num ar em movimento

O comportamento que está no centro deste trabalho chama-se pairar ao vento.

Um peneireiro posiciona-se de frente para um vento ascendente e permanece fixo sobre um ponto no chão, sem bater as asas. Na prática, é bem mais exigente do que parece.

À volta da ave, o ar muda continuamente de velocidade e direcção. Por isso, o peneireiro tem de fazer microcorrecções sem parar para não derivar.

Essas correcções resultam de muitos pequenos ajustes do corpo.

Como os peneireiros se mantêm estáveis

Este estudo apoiou-se em trabalhos anteriores de seguimento de peneireiros reais a voar na instalação de túnel de vento do Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT), uma das maiores do género na Austrália.

“Os pássaros não dependem de uma única resposta às rajadas de vento”, disse o investigador do RMIT Matt Penn, que liderou parte do trabalho sobre a forma como as aves lidam com a turbulência.

“Eles ajustam constantemente as asas e a cauda para se manterem equilibrados, enquanto a flexibilidade natural das penas e das articulações ajuda a absorver mudanças súbitas no escoamento do ar.”

“Também conseguem detectar perturbações muito depressa, o que lhes permite responder quase instantaneamente e manter o controlo.”

Construir um peneireiro robótico

Para perceber que movimentos eram realmente decisivos, a equipa recorreu ao peneireiro-australiano (Falco cenchroides).

Esta espécie tem asas longas e estreitas, adaptadas a espaços abertos, o que a torna um bom modelo para o tipo de aeronaves pequenas que os engenheiros querem melhorar.

A equipa digitalizou dois corpos de peneireiro com tomografia computorizada (TC) para mapear as formas de ossos, músculos e penas. A partir dessas imagens, foi construído um robô capaz de replicar os principais movimentos da ave.

O peneireiro robótico concentrou-se em três acções: estender e recolher as asas, abrir e fechar a cauda em leque e inclinar a cauda para cima ou para baixo.

O Dr. Mario Martinez Groves-Raines construiu e operou o modelo durante os seus estudos no RMIT e na Universidade de Bristol. Actualmente está sediado no Royal Veterinary College, em Londres.

“Ao criar uma réplica robótica, conseguimos medir de que forma movimentos específicos estavam a contribuir para a estabilidade em voo”, afirmou Groves-Raines.

Testar cada movimento em separado

O peneireiro robótico foi montado no túnel de vento de baixa turbulência do RMIT e colocado de frente para um escoamento constante de cerca de 26 km/h.

Este valor corresponde às velocidades a que os peneireiros reais voam enquanto pairam.

Um sensor registou a sustentação, o arrasto e os momentos de torção em cada posição. A equipa alterou um movimento de cada vez e analisou como as forças se modificavam.

Como as asas alteram as forças

Estender e recolher as asas teve um efeito inesperado: quase não mudou a quantidade de sustentação gerada.

Em vez disso, afectou sobretudo a arfagem - o equilíbrio entre nariz para cima e nariz para baixo. Isto dá ao peneireiro uma forma suave de se manter nivelado em diferentes ângulos de voo.

Recolher uma asa enquanto se estende a outra também induziu rolamento do corpo, de modo semelhante ao que um avião faz ao inclinar-se com os ailerões.

Como a cauda controla o voo

A cauda revelou-se uma ferramenta poderosa. Ao abri-la em leque, a ave ganhava simultaneamente muita sustentação e muito arrasto.

Inclinar a cauda foi o movimento isolado com maior impacto na arfagem. O efeito é comparável ao do profundor no estabilizador de cauda de um avião.

Uma inclinação acentuada para baixo podia até funcionar como travão durante a aterragem.

Asas e cauda a trabalhar em conjunto

O resultado mais interessante surgiu quando asas e cauda eram usadas ao mesmo tempo. Os peneireiros reais combinam frequentemente estes gestos durante o pairar, e passou a existir uma explicação clara.

Estender as asas e, em paralelo, abrir a cauda em leque aumentou a sustentação mais do que qualquer um dos movimentos por si só. Ainda assim, os efeitos na arfagem praticamente anularam-se.

Na prática, isto significa que o peneireiro consegue acrescentar ou reduzir sustentação sem inclinar o nariz para cima ou para baixo.

Essa capacidade permite à ave aguentar uma rajada ascendente sem perder o rumo - um problema que causa sérias dificuldades a drones pequenos.

Estabilidade sem esforço constante

Todas as posições testadas eram naturalmente estáveis. Depois de uma perturbação, a própria geometria da “ave” tendia a empurrá-la de volta para um voo nivelado.

Abrir a cauda em leque produziu o efeito estabilizador mais forte. Recolher as asas também aumentou a estabilidade.

A combinação de ambos podia tornar um peneireiro ainda mais firme, o que poderá permitir manter a posição com menos trabalho muscular.

Porque os corpos leves rodam mais depressa

Depois veio a verdadeira surpresa. Ao comparar a “morfologia variável” do peneireiro com as superfícies de controlo de duas aeronaves-modelo muito ágeis, a equipa verificou que os movimentos da ave não geravam forças superiores.

Então, porque é que os peneireiros parecem voar melhor do que estas máquinas? A resposta estava no peso - e não na potência.

O peneireiro mantém a maior parte da massa concentrada no corpo, com asas e cauda leves. Esta baixa dispersão de massa permite-lhe entrar numa curva muito mais depressa do que um drone que produza forças de controlo semelhantes.

Rodar rapidamente é o elemento central da agilidade em voo.

O que isto significa para os drones

Para os engenheiros, a lição tem duas partes: copiar os ajustes de forma da ave, mas também copiar a sua leveza.

“Descobrimos várias técnicas únicas por detrás da impressionante estabilidade do peneireiro. Muitas destas técnicas têm potencial para melhorar a manobrabilidade de aeronaves pequenas, que enfrentam desafios semelhantes aos dos peneireiros”, disse Groves-Raines.

As conclusões podem ajudar futuros drones a voar em ar com rajadas que hoje obriga muitos modelos a ficar no chão. Isto é relevante para tarefas como busca e salvamento, monitorização de culturas e entregas.

“Esta investigação mostra o que é possível quando os engenheiros procuram soluções na natureza”, disse o Professor Abdulghani Mohamed, do RMIT.

“As nossas conclusões abrem novos caminhos para conceber aeronaves que consigam lidar melhor com a turbulência.”

A equipa quer agora estudar como é que os peneireiros percebem o ar à sua volta e adaptar essas lições a aeronaves maiores.

Com a expectativa de aumento da turbulência à medida que o clima muda, um drone mais estável poderá revelar-se muito útil.