Gierzwaluw krijgt radiografische pottenkijker

Meevliegen in een zwerm gierzwaluwen en hun gedrag van dichtbij observeren. Geweldig lijkt het ir. David Lentink. De onderzoeker, die als bioloog werkt bij de Wageningen Universiteit en Researchcentrum en als vliegtuigbouwkundig ingenieur bij L&R,is een grote fan van de documentaire ‘Le Peuple Migrateur’. In deze film volgen de documentairemakers ganzen met kleine vliegtuigjes tijdens hun lange trektochten. “Maar gierzwaluwen, daar kom je jammer genoeg niet zo gemakkelijk tussen met een bemand toestel”, zegt hij.

De onderzoeker gaf bachelorstudenten van L&R daarom opdracht een radiografisch bestuurbaar vliegtuigje te ontwerpen, met een propellertje, dat voorzien is van uitschuifbare vleugels. Negen studenten hebben tot eind juni de tijd om deze robotische gierzwaluw, Roboswift, te ontwerpen.

Gierzwaluwen, die vrijwel hun hele leven in de lucht doorbrengen en daar zelfs paren, moeten het toestel straks van een klein afstandje niet van een soortgenoot kunnen onderscheiden. Met een kleine camera kan het vliegtuigje de dieren filmen.

De studentenmissie is vergelijkbaar met de eindopdracht voor L&R-bachelors die Lentink twee jaar geleden bedacht. Toen ontwikkelden tien studenten, aan de hand van zijn onderzoek naar de aerodynamica van insecten, het flapperende vliegtuigje Delfly.

Roboswift moet net als de gierzwaluw zijn vleugelvorm kunnen aanpassen om zo energiezuinig en wendbaar mogelijk te kunnen vliegen.

Voorafgaand aan het Roboswift-project onderzocht Lentink, samen met wetenschappers uit Wageningen, Groningen, Delft en Lund (Zweden), de aerodynamica van gierzwaluwvleugels uitvoerig in de grote Delftse lagesnelheids windtunnel.

Het onderzoeksteam bepaalde de draag- en weerstandskrachten die de vleugels opwekken bij verschillende vormen, aanstroomhoeken en vliegsnelheden tot snelheden van ruim honderd kilometer per uur.

Door hun vleugels voortdurend aan te passen tijdens hun vliegmanoeuvres, kunnen de vogels hun vliegprestatie tot een factor drie verbeteren, zo blijkt uit het onderzoek.

Ook blijken de vogels anders gebruik te maken van de wervelingen die vlak boven de voorste rand van de vleugels ontstaan, de voorrondwervels, dan tot nu toe werd gedacht.

Het onderzoek staat deze week beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

“De voorrondwervel zorgt voor minder opstuwende kracht dan collega’s twee jaar geleden hebben geschreven in Science”, zegt Lentink. “Wanneer de vogels bij hoge snelheid een scherpe bocht maken, hebben ze hun vleugels in een V-vorm naar achteren geklapt. Ze doen dit niet om optimaal gebruik te maken van de voorrondwervel, maar omdat hun vleugels anders zouden breken.”

Het nabootsen van de gierzwaluw vergt een knap staaltje techniek. “Het is inderdaad geen gemakkelijke opgave voor een bachelor”, geeft Lentink toe. “Vooral het ontwerpen van een vleugel die kan morphen dus in- en uitschuifbaar is, is een grote uitdaging”, zegt hij.

Roboswift zou het eerste vliegtuigje zijn met een maximale vleugelspanwijdte van ongeveer veertig centimeter met zulke geavanceerde vleugels. “Er zijn enkele grotere toestellen die al een beetje kunnen morphen”, zegt Lentink. “Hoe groter het toestel hoe makkelijker het mechaniek te maken is. Want het is vooral lastig de actuatoren, die nodig zijn om alle onderdelen aan te sturen, in het toestel in te passen.

Waarschijnlijk is Roboswift net groot genoeg om de huidige actuatoren erin kwijt te kunnen. “Maar mocht het nodig zijn, dan mogen de studenten het vliegtuig iets groter ontwerpen”, zegt Lentink. “Want het gaat er om dat het ontwerp direct realiseerbaar is.”

Een vliegtuigje met een vleugelspanwijdte van een halve meter zouden de gierzwaluwen waarschijnlijk aanzien voor een iets grotere verwante soort uit de Alpen, schat de onderzoeker. Daar zullen ze volgens hem niet van schrikken.

De Roboswift wordt uitgerust met batterijtjes en een elektromotortje. Ruim een uur moet hij daarmee achter elkaar kunnen vliegen. Hij moet een snelheid halen van veertig a’ zeventig kilometer per uur, vliegen op een kilometer hoogte en windkracht vier kunnen trotseren.

Naast het imiteren en bestuderen van gierzwaluwen ziet Lentink een andere functie weggelegd voor zijn geesteskind.

Net als de Delfly, zou de Roboswift verder ontwikkeld kunnen worden om observatievluchten te maken. De Delfly is ideaal om dergelijke vluchten binnen gebouwen te maken omdat hij langzaam vliegt en zelfs stil in de lucht kan hangen. Roboswift zou juist buiten erg goed van pas kunnen komen omdat hij als vogel-look-a-like nauwelijks opvalt.

Om de studenten kennis bij te brengen over de vliegprestaties van de gierzwaluw, krijgen ze zaterdag les van biologen in Wageningen. Ze leren daar echte gierzwaluwvleugels preparen, krijgen lezingen over de vogelvlucht en experimenteren met de windtunnel.

Een gierzwaluwvleugel wordt in de windtunnel blootgelegd aan een scala van windsnelheden en aanvlieghoeken. (Foto: David Lentink)

Meevliegen in een zwerm gierzwaluwen en hun gedrag van dichtbij observeren. Geweldig lijkt het ir. David Lentink. De onderzoeker, die als bioloog werkt bij de Wageningen Universiteit en Researchcentrum en als vliegtuigbouwkundig ingenieur bij L&R,is een grote fan van de documentaire ‘Le Peuple Migrateur’. In deze film volgen de documentairemakers ganzen met kleine vliegtuigjes tijdens hun lange trektochten. “Maar gierzwaluwen, daar kom je jammer genoeg niet zo gemakkelijk tussen met een bemand toestel”, zegt hij.

De onderzoeker gaf bachelorstudenten van L&R daarom opdracht een radiografisch bestuurbaar vliegtuigje te ontwerpen, met een propellertje, dat voorzien is van uitschuifbare vleugels. Negen studenten hebben tot eind juni de tijd om deze robotische gierzwaluw, Roboswift, te ontwerpen.

Gierzwaluwen, die vrijwel hun hele leven in de lucht doorbrengen en daar zelfs paren, moeten het toestel straks van een klein afstandje niet van een soortgenoot kunnen onderscheiden. Met een kleine camera kan het vliegtuigje de dieren filmen.

De studentenmissie is vergelijkbaar met de eindopdracht voor L&R-bachelors die Lentink twee jaar geleden bedacht. Toen ontwikkelden tien studenten, aan de hand van zijn onderzoek naar de aerodynamica van insecten, het flapperende vliegtuigje Delfly.

Roboswift moet net als de gierzwaluw zijn vleugelvorm kunnen aanpassen om zo energiezuinig en wendbaar mogelijk te kunnen vliegen.

Voorafgaand aan het Roboswift-project onderzocht Lentink, samen met wetenschappers uit Wageningen, Groningen, Delft en Lund (Zweden), de aerodynamica van gierzwaluwvleugels uitvoerig in de grote Delftse lagesnelheids windtunnel.

Het onderzoeksteam bepaalde de draag- en weerstandskrachten die de vleugels opwekken bij verschillende vormen, aanstroomhoeken en vliegsnelheden tot snelheden van ruim honderd kilometer per uur.

Door hun vleugels voortdurend aan te passen tijdens hun vliegmanoeuvres, kunnen de vogels hun vliegprestatie tot een factor drie verbeteren, zo blijkt uit het onderzoek.

Ook blijken de vogels anders gebruik te maken van de wervelingen die vlak boven de voorste rand van de vleugels ontstaan, de voorrondwervels, dan tot nu toe werd gedacht.

Het onderzoek staat deze week beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

“De voorrondwervel zorgt voor minder opstuwende kracht dan collega’s twee jaar geleden hebben geschreven in Science”, zegt Lentink. “Wanneer de vogels bij hoge snelheid een scherpe bocht maken, hebben ze hun vleugels in een V-vorm naar achteren geklapt. Ze doen dit niet om optimaal gebruik te maken van de voorrondwervel, maar omdat hun vleugels anders zouden breken.”

Het nabootsen van de gierzwaluw vergt een knap staaltje techniek. “Het is inderdaad geen gemakkelijke opgave voor een bachelor”, geeft Lentink toe. “Vooral het ontwerpen van een vleugel die kan morphen dus in- en uitschuifbaar is, is een grote uitdaging”, zegt hij.

Roboswift zou het eerste vliegtuigje zijn met een maximale vleugelspanwijdte van ongeveer veertig centimeter met zulke geavanceerde vleugels. “Er zijn enkele grotere toestellen die al een beetje kunnen morphen”, zegt Lentink. “Hoe groter het toestel hoe makkelijker het mechaniek te maken is. Want het is vooral lastig de actuatoren, die nodig zijn om alle onderdelen aan te sturen, in het toestel in te passen.

Waarschijnlijk is Roboswift net groot genoeg om de huidige actuatoren erin kwijt te kunnen. “Maar mocht het nodig zijn, dan mogen de studenten het vliegtuig iets groter ontwerpen”, zegt Lentink. “Want het gaat er om dat het ontwerp direct realiseerbaar is.”

Een vliegtuigje met een vleugelspanwijdte van een halve meter zouden de gierzwaluwen waarschijnlijk aanzien voor een iets grotere verwante soort uit de Alpen, schat de onderzoeker. Daar zullen ze volgens hem niet van schrikken.

De Roboswift wordt uitgerust met batterijtjes en een elektromotortje. Ruim een uur moet hij daarmee achter elkaar kunnen vliegen. Hij moet een snelheid halen van veertig a’ zeventig kilometer per uur, vliegen op een kilometer hoogte en windkracht vier kunnen trotseren.

Naast het imiteren en bestuderen van gierzwaluwen ziet Lentink een andere functie weggelegd voor zijn geesteskind.

Net als de Delfly, zou de Roboswift verder ontwikkeld kunnen worden om observatievluchten te maken. De Delfly is ideaal om dergelijke vluchten binnen gebouwen te maken omdat hij langzaam vliegt en zelfs stil in de lucht kan hangen. Roboswift zou juist buiten erg goed van pas kunnen komen omdat hij als vogel-look-a-like nauwelijks opvalt.

Om de studenten kennis bij te brengen over de vliegprestaties van de gierzwaluw, krijgen ze zaterdag les van biologen in Wageningen. Ze leren daar echte gierzwaluwvleugels preparen, krijgen lezingen over de vogelvlucht en experimenteren met de windtunnel.

Een gierzwaluwvleugel wordt in de windtunnel blootgelegd aan een scala van windsnelheden en aanvlieghoeken. (Foto: David Lentink)