Det obemannade flygplanet känt som drönare, används av hobbyister, forskare och industri att ta flygbilder och utföra andra uppgifter, blir allt mer populära – och mindre. Men den där miniatyriseringen, som har producerat drönare som passar i en persons handflata, har börjat stöta på fysikens lagar.

Snurrande rotorblad som de på en helikopter kan bara minskas så mycket innan luftfriktionen går om lyftkraften, vilket gör att de små motorerna överhettas och går sönder. Det är därför ingenjörer, i ett försök att utveckla små drönare som en dag skulle kunna övervaka naturgasledningar för läckor eller till och med pila bland blommor för att hjälpa till att pollinera grödor, är allt mer intresserade av svävande insekters flaxande vingflyg.

Naturen har föreslagit vad forskare börjar förstå i teorin:"Flappande vingar kan skala ner nästan i det oändliga" och fortfarande producera tillräcklig lyftkraft, sa Mark Jankauski, biträdande professor vid institutionen för mekanisk och industriell teknik vid Montana State Universitys Norm Asbjornson College of Engineering.

Men att skapa konstgjorda versioner av insekternas invecklade design är en annan sak. Det beror på att den exakta mekaniken med flaxande vingar fortfarande är dåligt förstådd, enligt Jankauski, som är specialiserad på området.

Nu, uppbackad av ett treårigt anslag på $370, 000 från National Science Foundation, Jankauski leder ett projekt för att kartlägga fysiken kring flaxande flygning på nya sätt, inklusive med mer effektiva analytiska modeller som dramatiskt skulle kunna förenkla processen att designa vingarna.

"Det återstår fortfarande mycket arbete innan (flaggande vingar) är en användbar teknik för en applikation, "Sa Jankauski. "Detta är en startpunkt."

Jankauskis partner i projektet, MSU biträdande professor i maskinteknik Erick Johnson, specialiserar sig på datormodeller som simulerar hur strukturer som vingar interagerar med vätskor, inklusive luft. Beteendet hos flexibla, flaxande vingar är extremt komplicerat, han sa.

"Mina modeller tar dagar eller veckor att köra" på en vanlig dator, sade Johnson. Som jämförelse, modellerna som forskarna utvecklar kommer att vara "nästan omedelbara, " han sa, och tillägger att "det är ett fascinerande område att vara i."

Att uppnå det kommer att innebära att hitta approximationer för de komplicerade ekvationerna som annars skulle bli knäckta av datormodellerna. Att göra det, Jankauski och Johnson kommer att göra detaljerade mätningar av faktiska flaxande vingar.

I deras labb, forskarna har en anordning som exakt kan böja vingkopior för att skapa detaljerade geometriska kartor över hur vingarna reagerar på olika krafter. De kommer också att experimentera med andra testriggar som replikerar och mäter flaxande insekters flygning, enligt Jankauski.

I slutet, de nya modellerna kan tillåta designers att överväga tusentals möjliga vingdesigner och få snabb feedback om vilken som bäst skulle tjäna till att lyfta och manövrera små drönare. Modellerna kan också användas för att hjälpa till att kontrollera drönarnas flygning genom att beräkna, till exempel, den nödvändiga vingstigningen eller flaxningshastigheten, enligt Jankauski.

Projektet kommer också att bidra till ett växande vetenskapsområde som utforskar de extraordinära egenskaperna hos biologiska flygblad mer generellt. "Det finns en absolut mängd kunskap att få om världen genom att studera insekter och hur de interagerar med sina miljöer, sa Jankauski.