In una scoperta che potrebbe avvantaggiare la progettazione dei droni, una ricerca pluripremiata di uno studente di dottorato presso l'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH) mostra che i percorsi di volo ondulati delle farfalle monarca sono in realtà più efficienti dal punto di vista energetico di un percorso rettilineo.

Il lavoro di Madhu Sridhar ha vinto il concorso AIAA Atmospheric Flight Mechanics Graduate Student Paper 2019 ed è stato premiato al Forum AIAA SciTech 2020 tenutosi di recente a Orlando, Fla. L'AIAA Scitech Forum è la più grande conferenza aerospaziale annuale e si concentra sui risultati della ricerca e della tecnologia nella comunità aerospaziale. Il Forum AIAA SciTech 2020 ha incluso più di 2, 500 presentazioni tecniche con oltre 5, 000 partecipanti.

Sridhar ha modellato e analizzato il consumo energetico delle farfalle monarca mentre lavorava nel laboratorio di misurazione ottica (ATOM) di tracciamento autonomo della UAH sotto il dott. Chang-kwon Kang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, e il dottor Brian Landrum, professore associato e presidente associato del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale. La ricerca è stata supportata da finanziamenti della National Science Foundation.

La scoperta che una traiettoria di volo ondulata consuma meno energia può essere preziosa nella progettazione bio-ispirata di droni in miniatura robotici a lungo raggio.

"Uno degli obiettivi alla base del nostro studio è sviluppare un drone in grado di volare quanto un monarca in migrazione, " dice Sridhar. "La migrazione annuale delle farfalle monarca è la più lunga tra gli insetti. può essere 3, 000 chilometri di lunghezza! Persino i droni più all'avanguardia non possono mostrare queste lunghe distanze".

I ricercatori hanno utilizzato un modello di farfalla analitico semplificato nello studio, concentrandosi sull'interazione dinamica tra l'aerodinamica dell'ala e la dinamica del corpo, dice Sridhar, chi è di Bangalore, India.

"Questo documento mostra che questo modello concorda ragionevolmente bene con i dati sperimentali, ", afferma. "Abbiamo utilizzato telecamere di rilevamento del movimento per registrare una serie di traiettorie di volo e movimenti di ali e corpo di farfalle monarca che volano liberamente nel nostro laboratorio ATOM".

Se ci sono vantaggi nella traiettoria ondulata usata dalle farfalle, perché le api o le mosche non lo usano?

"Questo studio mostra che i movimenti coordinati dell'ala e del corpo che seguono una traiettoria accidentata richiedono una potenza inferiore per un'ala che sbatte su scala monarca, " dice. "Per gli insetti più piccoli questo beneficio di potere si riduce, che è probabilmente il motivo per cui volano su una traiettoria diritta."

Se le farfalle utilizzano un modello di volo biologicamente predeterminato o semplicemente ondulazioni casuali è una delle tante domande per la ricerca futura. Sridhar sta anche studiando come le farfalle selezionano le altitudini di volo.

"si sa che i monarchi volano a diverse altezze dal livello del suolo lungo la loro rotta migratoria, che troviamo molto interessante, " dice. "Non sappiamo perché scelgano di volare più in alto invece che a livello del suolo".

Ad altitudini più elevate la ridotta densità dell'aria può favorire il volo monarca, gli scienziati teorizzano.

"Così, per testare questo, abbiamo eseguito esperimenti con farfalle monarca all'interno della grande camera a vuoto dell'UAH Propulsion Research Center, dove abbiamo registrato i voli ad aria a bassa densità fino a 4, 000 metri sul livello del mare, Sridhar dice. "Questo ci aiuta a osservare come cambiano i movimenti delle loro ali e del corpo quando la densità dell'aria si abbassa".

Inoltre, i ricercatori stanno utilizzando simulazioni al computer per studiare come l'aria a bassa densità influisce sulla flessibilità delle ali del monarca.