.
Os beija-flores ocupam um lugar único na natureza: voam como insetos, mas têm o sistema musculoesquelético das aves. De acordo com Bo Cheng, professor associado Kenneth K. e Olivia J. Kuo em Engenharia Mecânica na Penn State, os beija-flores têm extrema agilidade aérea e formas de voo, e é por isso que muitos drones e outros veículos aéreos são projetados para imitar o movimento do beija-flor. Usando um novo método de modelagem, Cheng e sua equipe de pesquisadores obtiveram novos insights sobre como os beija-flores produzem o movimento das asas, o que poderia levar a melhorias no design de robôs voadores.
Seus resultados foram publicados esta semana no Anais da Royal Society B.
“Nós basicamente fizemos engenharia reversa do funcionamento interno do sistema músculo-esquelético da asa – como os músculos e o esqueleto funcionam nos beija-flores para bater as asas”, disse o primeiro autor e aluno de pós-graduação em engenharia mecânica da Penn State, Suyash Agrawal. “Os métodos tradicionais concentram-se principalmente em medir a atividade de um pássaro ou inseto quando estão em vôo natural ou em um ambiente artificial onde são simuladas condições de vôo. Mas a maioria dos insetos e, entre os pássaros especificamente, os beija-flores são muito pequenos. Os dados que podemos obter dessas medições são limitadas.”
Os pesquisadores usaram literatura de anatomia muscular, dados de simulação computacional de dinâmica de fluidos e informações de movimento do esqueleto da asa capturadas usando métodos de micro-CT e raios-X para informar seu modelo. Eles também usaram um algoritmo de otimização baseado em estratégias evolutivas, conhecido como algoritmo genético, para calibrar os parâmetros do modelo. De acordo com os pesquisadores, sua abordagem é a primeira a integrar essas partes díspares para aviadores biológicos.
“Podemos simular todo o movimento reconstruído da asa do beija-flor e, em seguida, simular todos os fluxos e forças geradas pelo bater da asa, incluindo toda a pressão que atua na asa”, disse Cheng. “A partir disso, somos capazes de calcular o torque muscular total necessário para bater a asa. E esse torque é algo que usamos para calibrar nosso modelo.”
Com este modelo, os pesquisadores descobriram princípios anteriormente desconhecidos da atuação das asas do beija-flor.
A primeira descoberta, de acordo com Cheng, foi que os músculos primários dos beija-flores, ou seja, seus motores de vôo, não simplesmente batem as asas em um movimento simples para frente e para trás, mas puxam suas asas em três direções: para cima e para baixo, para trás e para frente, e torcer – ou lançar – da asa. Os pesquisadores também descobriram que os beija-flores apertam as articulações dos ombros tanto na direção para cima e para baixo quanto na direção do tom usando vários músculos menores.
“É como quando fazemos treinamento físico e um treinador diz para fortalecer seu núcleo para ser mais ágil”, disse Cheng. “Descobrimos que os beija-flores estão usando um tipo de mecanismo semelhante. Eles apertam as asas nas direções de inclinação e de cima para baixo, mas mantêm a asa solta ao longo da direção de vaivém, de modo que suas asas parecem estar batendo apenas para frente e para trás. enquanto seus músculos de força, ou seus motores de vôo, estão realmente puxando as asas em todas as três direções. Dessa forma, as asas têm uma agilidade muito boa no movimento para cima e para baixo, bem como no movimento de torção.
Enquanto Cheng enfatizou que os resultados do modelo otimizado são previsões que precisarão de validação, ele disse que tem implicações para o desenvolvimento tecnológico de veículos aéreos.
“Embora a tecnologia ainda não exista para imitar totalmente o voo do beija-flor, nosso trabalho fornece princípios essenciais para a imitação informada de beija-flores, esperançosamente para a próxima geração de sistemas aéreos ágeis”, disse ele.
Os outros autores foram Zafar Anwar, aluno de doutorado do Departamento de Engenharia Mecânica da Penn State; Bret W. Tobalske da Divisão de Ciências Biológicas da Universidade de Montana; Haoxiang Luo do Departamento de Engenharia Mecânica da Vanderbilt University; e Tyson L. Hedrick do Departamento de Biologia da Universidade da Carolina do Norte.
O Office of Naval Research financiou este trabalho.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Estado de Penn. Original escrito por Sarah Small. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
.
