מאת: אור עמר
מבט אל מחקר
שבוחן את יכולות ושיטות הייצור של כנפיים מלאכותיות מזעריות בהשראת חרקים, ומביא
שיטה ומסקנות חדשות לתחום.
במהלך העשור
האחרון, כלי טיס מכונפים זעירים, שנבנו בהשראת חרקים (FMAVs במקור), עוררו עניין
מחקרי רב בזכות פוטנציאל הישימות הגבוה במקרים בהם יש צורך בטכנולוגיות מתקדמות למאמצי
חיפוש והצלה באזורי אסון.
הכנפיים
המלאכותיות משמעותיות לייצור עילוי מספק להמראת FMAVs. מנקודת מבט ביונית, התכונות
האווירודינמיות המצוינות של כנף החרק קשורות באופן משמעותי למורפולוגיה ולסגולות המכאניות
של הכנף.
מורפולוגיית
הכנף כוללת את צורת הכנף, את דפוסי ורידי הכנף, את העובי, את הארכיטקטורה התלת-
ממדית ועוד. נמצא שווריאציות שונות של צורת הכנף ועובייה הן בעלות השפעה מהותית על
העילוי האווירודינמי של כנפי החרקים. בנוסף, על פי תצפיות המחקר, הארכיטקטורה התלת-ממדית
מסוגלת להפיק עילוי רב יותר כאשר היא מונעת רפרוף בקצות הכנף.
עוד נמצא, כי
בנוסף למורפולגיה, הסגולות המכאניות של הכנף כמו גמישותה מסוגלות להפיק פרץ עילוי
חזק בזמן תנועות הנפנוף. תכונות מכאניות חשובות לכנף,
שמשפיעות בצורה ישירה על הביצועים האווירודנמיים, כוללות 'flexural stiffness', אשר מתארת את הקשר בין עיוות הצורה והכוח האווירודינמי – עיוות
צורה מקסימלי אשר משקף את היכולת לשאת עיוותים רבים מבלי להישבר ל-natural frequency, המשקפת את הביצועים הכלליים תחת כוח אנרציה
והשפעות אווירואלסטיות.
כאשר היקף הכנף
המלאכותית קטן לחמישה ס"מ, כבר אי אפשר ליישם שיטות ייצור ידניות בכנפי חרק
מלאכותיות בעלות דפוסי ורידי כנף מורכבים. לגבי כנפיים בגודל זה, הועלו מספר שיטות
ייצור לחיקוי מורפולגיית הכנף הביומימטית, אך כולן לוקות בחסר. לדוגמה, שימוש
בלייזר הוכח, מצד אחד, כטכניקה יעילה לייצור כנפי חרק מלאכותיות, אך מצד שני,
בתוצאה שהתקבלה, דפוס ורידי הכנף מופשט בהשוואה לכנף חרק אמיתית, ולכן עדיין דרוש
מחקר על מנת לייצר מורפולוגיה של כנפי חרק מלאכותי.
 |
| התמונה באדיבות Dmarshal (David C. Marshall) |
המחקר הנדון
מתמקד בשיטות ייצור וניסוי של כנפיים מלאכותיות של ציקדה, תוך חיקוי המורפולוגיה
והמכאניקה שלהן. במחקר משתמשים בטכניקה של חיתוך לייזר תוך איחוי חומר רב-שכבתי,
המבוסס על סיב פחמן ומיילר (Mylar) דק, על מנת לחקות את דפוס וצורת ורידי הכנפיים. קיבולת שיטת
הייצור עבור ארכיטקטורת כנף תלת-ממד וסוגי כנף מגוונים מוצגים גם כן. על מנת לחקור
את השפעת עובי הווריד על תכונות הכנף, נבדקים ה-flexural stiffness,
שיעור העיוות המקסימלי וה-natural
frequency באמצעות מערכת גירוי
ייעודית ללא מגע.
בשילוב עם שיטות
ייצור קיימות, השיטה המוצעת מודגמת בתהליך פשוט יותר, אך היא משופרת ומזכירה כנף
אמיתית של ציקדה.
מסקנות המחקר הן
כי ניתן להשיג מורפולגיה של כנף ציקדה מלאכותית בעזרת טכניקת חיתוך לייזר בעלת
דיוק גבוה. שיטת ייצור זו מסוגלת לממש ארכיטקטורת כנף תלת-ממדית בעלת קימורים או
קיפולים על ידי שליטה על הצורה התלת-ממדית של ורידי הכנפיים בזמן תהליך ההקשחה
והשיפור. בנוסף, השיטה מדגימה גם ורסטיליות מבטיחה לסוגי כנפיים מגוונות.
תוצאות המבחן
המכאני מגלות שלכנף המלאכותית של הציקדה יש גמישות מעולה, והיא מסוגלת לעמוד באחוז
גבוה של עיוות בלי להישבר (אחוז העיוות המקסימלי הגיע ל-50%). מהמבחן ניתן גם
לראות שה- flexural
stiffness וה- natural frequencyשל כנף הציקדה
המלאכותית תלויות במידה רבה בעובי הוורידים. תוצאות כאלו מספקות גישה ריאלית לטיוב
נוסף בתכונות כנפיים מכאניות על ידי התאמת עובי הוורידים.
