I ett fynd som kan gynna drönardesign, prisbelönt forskning av en doktorand vid University of Alabama i Huntsville (UAH) visar att monarkfjärilarnas böljande flygvägar faktiskt är mer energieffektiva än en rak linje.

Madhu Sridhars papper vann 2019 AIAA Atmospheric Flight Mechanics Graduate Student Paper Competition och han belönades vid 2020 AIAA SciTech Forum som nyligen hölls i Orlando, Fla. AIAA Scitech Forum är den största årliga flyg- och rymdkonferensen och fokuserar på forsknings- och teknologirön inom flyg- och rymdvärlden. 2020 AIAA SciTech Forum inkluderade mer än 2, 500 tekniska presentationer med över 5, 000 deltagare.

Sridhar modellerade och analyserade strömförbrukningen för monarkfjärilar när han arbetade i UAH:s autonoma spårningsoptiska mätningslaboratorium (ATOM) under Dr. Chang-kwon Kang, en docent vid institutionen för maskin- och rymdteknik, och Dr Brian Landrum, en docent och biträdande ordförande vid institutionen för maskin- och rymdteknik. Forskningen stöddes av finansiering från National Science Foundation.

Upptäckten att en böljande flygbana förbrukade mindre energi kan vara värdefullt i den bioinspirerade designen av långdistansrobotar i miniatyrdrönare.

"Ett av de underliggande målen med vår studie är att utveckla en drönare som kan flyga lika länge som en migrerande monark, " Sridhar säger. "Den årliga migrationen av monarkfjärilar är den längsta bland insekter. Det kan vara 3, 000 kilometer lång! Inte ens de toppmoderna drönarna kan visa dessa långa avstånd."

Forskare använde en förenklad analytisk fjärilsmodell i studien, med fokus på det dynamiska samspelet mellan vingarnas aerodynamik och kroppsdynamiken, säger Sridhar, vem är från Bangalore, Indien.

"Det här dokumentet visar att den här modellen stämmer ganska bra överens med experimentella data, " säger han. "Vi använde rörelsespårningskameror för att spela in en serie flygbanor och ving- och kroppsrörelser av fritt flygande monarkfjärilar i vårt ATOM-labb."

Om det finns fördelar med den böljande banan som fjärilar använder, varför använder inte bin eller flugor det?

"Denna studie visar att de samordnade ving- och kroppsrörelserna efter en ojämn bana kräver lägre kraft för en flaxande vinge på monarkskalan, " säger han. "För mindre insekter minskar denna kraftfördel, det är förmodligen därför de flyger på en rak bana."

Huruvida fjärilar använder ett biologiskt förutbestämt flygmönster eller helt enkelt slumpmässiga vågningar är en av många frågor för framtida forskning. Sridhar undersöker också hur fjärilarna väljer flyghöjder.

"Monarker är kända för att flyga på olika höjder från marknivå längs deras migrationsväg, vilket vi tycker är mycket intressant, " säger han. "Vi vet inte varför de väljer att flyga högre istället för på markhöjder."

På högre höjder kan den minskade luftdensiteten gynna monarkflygning, teoretiserar forskarna.

"Så, att testa detta, vi har utfört experiment med monarkfjärilar inne i den stora vakuumkammaren på UAH Propulsion Research Center, där vi registrerade flygningarna med lägre luftdensitet upp till 4, 000 meter över havet, " Sridhar säger. "Detta hjälper oss att observera hur deras ving- och kroppsrörelser förändras när luftdensiteten sänks."

Dessutom, forskare använder datorsimuleringar för att undersöka hur lågdensitetsluft påverkar monarkvingarnas flexibilitet.