A study about the flight of the dragonfly to inspire the future of robotics 4.0

In the last decade bio-inspired engineering has experienced an impressive growth. The simple but clever idea behind such trend, is to exploit the optimisation process carried out by the nature over thousands of years and get inspiration for realising machines that mimic the behaviour of living beings. An interesting field of application of this technique is the development of Micro Air Vehicles. MAVs are defined as "extremely small and ultra-lightweight air vehicle systems" with a maximum wingspan of 15 cm and a weight less than 20 grams. Given their dimensions and their typical flight speed, which is 10 m/s at most, such "flyers" are involved in low Reynolds flight regime (i.e. from 100 to 10000), whose dynamics are ruled by a macroscopic laminal flow, affected by local turbulence. What emerges from the characteristics cited just above, is that dealing with the design of MAVs it is mandatory to reduce as much as possible both the payload and the space occupied by mechanical components. Under that perspective, natural flyers offer an extraordinary example to follow, with special regard to the mighty world of insects. This thesis is born from the intention of Politecnico di Milano to open a window on the world of bio-inspired engineering, approaching it from the side of MAVs design. Thus, this work starts from a review of the state of the art at present days, to then set up a number of numerical simulations that should represent a guide to a future design of a physical experiment to test inside the wind tunnel. Such simulations are carried out using OpenFoam, the CFD software in use at Polimi, and Matlab. Regarding the object of this work, among all the possibile examples offered by the nature the dragonfly is chosen. The reasons behind this decision will be explained in the first chapter, where this flier is presented in terms of biological characteristics and kinematic and dynamic performances of its flight. Conclusively, the last chapter is dedicated to possible industrial application of MAVs, with a focus on the field of assets maintenance. Regarding this topic, a literature review has been performed with the aim of analysing the state of the art. Then it is proposed an interview to an expert of the sector, responsible for the inspections for an important company belonging to the sector of oil&gas. The findings from the literature review and from the analysis of the opinions collected from the industrial expert allowed identifying the main expected benefits of using such technology for supporting industrial maintenance but also the existing barriers and challenges perceived for its full application.

Nell'ultimo decennio l'ingegneria bioispirata ha registrato una crescita impressionante. L'idea semplice ma intelligente alla base di tale tendenza è quella di sfruttare il processo di ottimizzazione condotto dalla natura per migliaia di anni e trarre ispirazione per la realizzazione di macchine che imitano il comportamento degli esseri viventi. Un interessante campo di applicazione di questa tecnica è lo sviluppo di Micro Air Vehicles. I MAV sono definiti "sistemi di veicoli aerei estremamente piccoli e ultraleggeri" con un'apertura alare massima di 15 cm e un peso inferiore a 20 grammi. Date le loro dimensioni e la loro tipica velocità di volo, che è al massimo di 10 m / s, tali "volantini" sono coinvolti nel regime di volo di Reynolds basso (cioè da 100 a 10000), le cui dinamiche sono governate da un flusso laminare macroscopico, influenzato dal locale turbolenza. Ciò che emerge dalle caratteristiche sopra citate è che occuparsi della progettazione dei MAV è obbligatorio ridurre il più possibile sia il carico utile che lo spazio occupato dai componenti meccanici. In tale prospettiva, i volantini naturali offrono uno straordinario esempio da seguire, con particolare riguardo al potente mondo degli insetti. Questa tesi nasce dall'intenzione del Politecnico di Milano di aprire una finestra sul mondo dell'ingegneria bio-ispirata, avvicinandosi ad essa dal lato del design dei MAV. Quindi, questo lavoro inizia da una revisione dello stato dell'arte dei giorni nostri, per poi impostare una serie di simulazioni numeriche che dovrebbero rappresentare una guida per la progettazione futura di un esperimento fisico da testare all'interno della galleria del vento. Tali simulazioni vengono eseguite utilizzando OpenFoam, il software CFD in uso presso Polimi e Matlab. Per quanto riguarda l'oggetto di questo lavoro, tra tutti i possibili esempi offerti dalla natura viene scelta la libellula. Le ragioni alla base di questa decisione saranno spiegate nel primo capitolo, in cui questo volantino è presentato in termini di caratteristiche biologiche e prestazioni cinematiche e dinamiche del suo volo. In conclusione, l'ultimo capitolo è dedicato alla possibile applicazione industriale dei MAV, con particolare attenzione al campo della manutenzione degli asset. Per quanto riguarda questo argomento, è stata eseguita una revisione della letteratura allo scopo di analizzare lo stato dell'arte. Quindi viene proposta un'intervista a un esperto del settore, responsabile delle ispezioni per un'importante azienda appartenente al settore petrolifero e del gas. I risultati della revisione della letteratura e dell'analisi delle opinioni raccolte dall'esperto industriale hanno permesso di identificare i principali benefici attesi dall'uso di tale tecnologia a supporto della manutenzione industriale, ma anche le barriere e le sfide esistenti percepite per la sua piena applicazione.