Robotvogel die echt klapwiekt

Techniek De kunstvogel lijkt verbluffend veel op een echte vogel. Maar onthult de ‘ornithopter’ het geheim van de vogelvlucht?

Karel Knip

With a wingspan of 6.5 inches, the Nano Hummingbird weighs 19 grams, or less than a AA battery. The drone's guts consist of motors, communications systems and a video camera. It is slightly larger than the average hummingbird. (AeroVironment via Los Angeles Times/MCT)

Het kan! Het kan dus echt. Het was geen nep. De SmartBird bestaat en kan echt vliegen. Hij moet wat geholpen worden bij het stijgen, maar als zijn elektromotortje loopt en er is contact met de radiografische afstandsbesturing, dan wiekt hij zomaar weg. De conferentiezaal in, een rondje langs het podium, nog weer even de zaal in en dan terug naar de man die hem opliet. Het verstand staat erbij stil.

Afgelopen zomer was er zwaar e-mail verkeer over een meeuwachtige kunstvogel die geheel vrij vliegen kon. Anderhalf keer zo groot als een zilvermeeuw, maar op grote afstand nauwelijks daarvan te onderscheiden. Hij had gevlogen tijdens een conferentie in Edinburgh en was gebouwd door het Duitse bedrijf Festo in Esslingen. Dat gebruikte hem vooral voor promotiedoeleinden. Hij ging de hele wereld over.

Oudere waarnemers dachten onmiddellijk aan de mechanische zilvermeeuw van professor Lupardi in Kapitein Rob en het oliemysterie. Na zestig jaar eindelijk werkelijkheid, het werd ook tijd. Maar later kwam de twijfel. Het zag er wel erg gelikt uit. Was dit geen subtiel bedrog? In een tijd van Photoshop en computeranimatie kan álles worden nagebootst.

Dus naar Esslingen bij Stuttgart om de vogel ook eens beet te pakken en in zijn buik te kijken. Want de ontvangst bij Festo is hartelijk en openhartig, alles mag worden bekeken en bevoeld en men is niet te beroerd om de SmartBird even door de eigen conferentiezaal te jagen. Ook al zit daar niemand. Met een verbazend zwaar lopend raderwerk klapwiekt hij kalm rond. Een beetje achterover, een tikje amechtig. Uit de ogen straalt een vreemde blauwe gloed. De waarnemer kijkt en rekent en schat de snelheid op zo’n 3 of 4 m/s.

Festo doet niet in kunstvogels. Het is een soort ingenieurs- en ontwerpbureau voor pneumatische en elektrische automatisering in de industrie. De vrijvliegende kunstvogel is meer een vingeroefening voor ander werk. Hij wordt waarschijnlijk ook niet verder ontwikkeld. Eerder werden soortgelijke projecten afgerond, het mooiste is misschien een reuzenmanta, de AirRay, die niet door water maar door de lucht zwemt. Zie YouTube. Voor de SmartBird had men zich laten inspireren door het onderzoek aan het vogelvliegen van dr. Wolfgang Send, tot zijn pensioen verbonden aan het vermaarde Duitse centrum voor lucht- en ruimtevaart DLR.

“We wilden een kunstvogel die we in conferentiezalen konden loslaten,” zegt Heinrich Frontzek die de toelichting geeft. “De SmartBird moest dus extreem licht zijn en heel langzaam kunnen vliegen, dan kom je automatisch op grote vleugels uit.” De namaak-zilvermeeuw kreeg een spanwijdte van 2 meter maar hield het gewicht op 0,45 kilo. Het vleugeloppervlak is ongeveer 0,3 m2. Het ruwe ontwerp was niet al te lastig, maar het kostte moeite het vliegmechaniek zo in te richten dat de vogel van de grond kon opstijgen. Op YouTube zijn ook de mislukkingen te zien.

‘Actieve torsie’ bracht de doorbraak. De SmartBird kopieert op een simpele maar doeltreffende wijze wat bij vogels vanzelf lijkt te gaan: bij de neerwaartse slag van zijn piepschuimen vleugels worden die vleugels tegelijk naar voren getordeerd, het meest aan de vleugelpunt. Zo ontstaat de gewenste voortstuwing. De torsie wordt tot stand gebracht door servomotoren die in de modelbouw heel gewoon zijn. Eigenlijk zijn alle onderdelen van de SmartBird tamelijk gewoon. De spanningsbron voor het elektromotortje is bijvoorbeeld een batterij zoals die in elke mobiel te vinden is. Vlak voor de demonstratie kreeg de plastic reuzenmeeuw een verse batterij in zijn romp geschoven, daarna werd het laadklepje weer met Sellotape dichtgeplakt.

Het links-rechts en omhoog-omlaag van de SmartBird komt voornamelijk van de beweeglijke staart die van een klein roer is voorzien. Dat is niet helemaal natuurlijk. Er staat tegenover dat de vleugels knikvleugels (articulated wings) zijn, ze hebben een beweeglijkheid op de plaats waar ook bij echte vogels een gewricht zit: het polsgewricht. Vogels vliegen voornamelijk met hun hand, het deel dat het verst van de romp verwijderd is draagt het meest bij aan de voortstuwing.

Schitterende slechtvalk

‘Vogelflug entschlüsselt’, triomfeert de brochure die de verslaggever bij zijn vertrek meekrijgt. ‘Bird flight deciphered’, want hij ontvangt er ook een in het Engels. Ik ben getuige geweest van een historisch moment, mijmert hij na in de trein. Maar terug in Nederland overkomt hem iets vreemds. Kranten schrijven over een voornemen van ‘Luchthaven Schiphol’ om alle ganzen te doden waar zij last van heeft. Diervriendelijker oplossingen hadden gefaald, waaronder een proef met een namaak-roofvogel. Een enkele krant liet een arend zien. Hij was net zo groot als de SmartBird en vloog net zo vrij zijn rondjes. Maar: buiten. En veel harder.

De ontwerper van de roofvogel blijkt de van vogels bezeten valkenier en modelbouwer Robert Musters. Hij woont in Enschede en maakt zonder er veel ruchtbaarheid aan te geven kunstvogels die veel mooier zijn dan de SmartBird en die veel beter presteren. De grote Amerikaanse zeearend (‘bald eagle’) van twee kilo om te beginnen, maar ook een schitterende slechtvalk die bijna niet van echt is te onderscheiden. Volmaakt op schaal 1 : 1 nagebouwd van de vrouwtjes slechtvalk die hij ook gewoon in vlees en bloed en veren bezit. Spanwijdte 1 meter, gewicht 0,75 kilo, vleugeloppervlak iets meer dan 0,1 m2. Alleen de poten ontbreken, want de vogel moet na het werk op zijn buik in het gras landen. Sensationeel: de topsnelheid van de slechtvalk is wel 21 m/s, hij kan zelfs bij windkracht 6 de lucht in.

Musters werkt al bijna een leven lang aan papieren vliegtuigjes en modelvliegtuigen en aan kunstvogels die echt klapwieken en hij had in 2004 een eerste vrij vliegende vogel. Hij werkt voornamelijk op het gevoel, maar observeert scherp hoe echte vogels vliegen, ook met behulp van slowmotion filmbeelden. Proefondervindelijk heeft hij een ‘continu verlopend vleugelprofiel’ ontworpen dat zo uniek en functioneel is dat hij het kon patenteren. De beweeglijke knik van de tamme SmartBird ontbreekt (‘nergens goed voor’) maar wel is er actieve torsie. De vleugels worden bij de romp aangedreven door twee draaibare asjes die net niet in fase heen en weer roteren.

De vlucht van de slechtvalk, die zijn klapwieken kan afwisselen met zweven, is adembenemend mooi. Vanaf de grond is het verschil met een echte slechtvalk niet te zien. De prestaties waren zo indrukwekkend dat ook de Universiteit Twente belangstelling kreeg. Het gesprek met Musters wordt bijgewoond door studenten van de vakgroep technische stromingsleer die zijn vogel graag in de windtunnel onderzoeken.

Spielerei

Musters laat zich niet gek maken. Hij erkent onmiddellijk dat zijn kunststof vleugels bij lange na niet kunnen wat echte vogelvleugels doen, dat kàn ook niet zonder veren, maar het hoeft ook niet. “Je moet je altijd afvragen wat je met je vogel wil. Mijn slechtvalk kan niet bidden en ook geen duikvlucht maken. Maar dat is ook nergens voor nodig.”

Een belangrijk verschil met de SmartBird is dat de staart volkomen natuurlijk is, er is geen roer of ander vertikaal vlakje. De staart is er alleen voor het omhoog-omlaag en voor het afremmen bij de landing. Het links-rechts wordt verzorgd door klepjes op de bovenzijde van de vleugels. Die worden met servomotoren bediend. De verslaggever noteert nog dat de vogel 100 watt vermogen opneemt als hij 75 km/h vliegt en gaat terug met de trein naar de Randstad met het gevoel alweer een historische gebeurtenis te hebben meegemaakt.

De volgende dag doet een telefoontje met David Lentink in Wageningen zijn beeld opnieuw kantelen. Het wemelt op deze wereld van kunstvogels. In vakkringen worden ze ‘ornithopters’ genoemd en de eerste vrij vliegende ornithopter was er al in 1872. Meer dan dertig jaar voor de gebroeders Wright met hun vliegtuig kwamen.

De site www.ornithopter.org geeft een compleet overzicht en veel extra toelichting.

Lentink, als Delfts vliegtuigbouwer aan Wageningen Universiteit betrokken geraakt bij vogelonderzoek, heeft dezelfde tic als Musters. Ook hij bouwt al een leven lang vliegtuigjes, zijn klapwiekende ornithopter DelFly, aangedreven door een getordeerd rubberen elastiek (rubber powered), heeft onder insiders faam verworven. Maar, eerlijk is eerlijk, de SmartBird lijkt meer op een echte vogel, zeg maar à la Lupardi. Nu, Lentink is bepaald niet onder de indruk van de SmartBird. “Onzin om te beweren dat hiermee het geheim van de vogelvlucht is ontraadseld, het lijkt zelfs bij benadering niet op een vogelvlucht. Het lijkt eerder spielerei. En dat vertikale vlakje in de staart vind ik een zwaktebod.”

Aero-elastisch

Lentink heeft niet erg de indruk dat ornithopters behulpzaam kunnen zijn bij het ontsluieren van het echte vogelvliegen, dat gecompliceerder is dan de toestellen kunnen nadoen. Hij bestudeert het echte vogelvliegen ook met behulp van slowmotion filmbeelden (YouTube: flying eagle) en hij kan het niet laten de verslaggever telefonisch precies uit te leggen wat de clou is van het echte vliegen: arm opzij, handpalm naar voren, arm laten zakken, en dan draaien, maar de verslaggever raakt de weg kwijt en stoot de koffie op de grond.

Enigszins onthutst laat hij de rest van Lentinks enthousiasme over zich heengaan. Actieve torsie, doceert die, is absoluut niet beter dan passieve torsie. Veel ornithopters hebben vleugels die uit zeil of membraan bestaan, het is gespannen achter een mast en vormt zich tijden het klapwieken vanzelf zoals gewenst is. Aero-elastisch heet dat dan. De kwestie is dat de vervorming voor elke vliegsnelheid anders moet zijn en dat dit niet vanzelf goed komt. Maar bij actieve torsie ook niet, daar zit een formidabele mogelijkheid tot optimaliseren.

“Maar er zijn al ongelooflijk mooie vogels gebouwd, 1930, Erich von Holst, je moet die naam in je stuk noemen. Er is ook een prachtige YouTube-film van. En dan 1990, Horst Räbiger, met een veer om er energie in op te slaan, daar kan je ook niet omheen. En in 2009 kwam er een ornithopter met een spanwijdte van maar 6 cm en een gewicht van 1 gram. Er is een kolibrie, de Nano Hummingbird, die vertikaal kan opstijgen, dat vind ik op dit moment de mooiste, hij is bekroond door Time Magazine.”

Lentink vertrekt binnenkort naar Stanford maar heeft beloofd ook van daaruit de laatste ontwikkelingen door te geven.