Эти датчики ветра, называемые анемометрами, используются для контроля скорости и направления ветра. По мнению исследователей, поскольку спрос на автономные летательные аппараты растет, необходимы более совершенные датчики ветра, чтобы этим транспортным средствам было легче как распознавать изменения погоды, так и выполнять более безопасные взлеты и посадки.

По словам Марсело Дапино, соавтора исследования и профессора механики и аэрокосмической инженерии в Университете штата Огайо, такие усовершенствования могут улучшить то, как люди используют свое местное воздушное пространство, будь то с помощью дронов, доставляющих посылки, или пассажиров, однажды летающих на беспилотных летательных аппаратах.

"Наша способность эффективно использовать воздушное пространство для перемещения или транспортировки предметов имеет огромные социальные последствия", - сказал Дапино. "Но для управления этими летающими объектами точные измерения ветра должны быть доступны в режиме реального времени, независимо от того, является ли транспортное средство пилотируемым или беспилотным". По его словам, помимо помощи воздушным объектам преодолевать большие расстояния, точные измерения ветра также важны для прогнозирования энергопотребления и оптимизации производительности ветряных турбин.

Их исследование было опубликовано в журнале Границы в материалах.

Обычные анемометры различаются по способу сбора данных, но все они имеют ограничения, сказал Дапино. Поскольку анемометры могут быть дорогими в изготовлении, потреблять большое количество энергии и иметь высокое аэродинамическое сопротивление - это означает, что прибор противодействует движению самолета в воздухе, - многие типы плохо подходят для небольших самолетов. Но анемометр команды штата Огайо легкий, с низким энергопотреблением, низким лобовым сопротивлением и более чувствительный к изменениям давления, чем обычные типы.

Леон Хедингс, соавтор исследования и старший научный сотрудник в области машиностроения и аэрокосмической инженерии в штате Огайо, сказал, что прибор был изготовлен из "умных" материалов - материи со свойствами, которыми можно управлять, позволяя им чувствовать окружающую среду и реагировать на нее. Команда использовала электрический полимер под названием поливинилиденфторид (PVDF). Широко используемый в архитектурных покрытиях и литий-ионных батареях, PVDF может быть пьезоэлектрическим, что означает, что он вырабатывает электрическую энергию при приложении к нему давления. Эта энергия может быть использована для питания устройства. Измеренное напряжение или изменение емкости куска гибкой пленки PVDF может быть соотнесено со скоростью ветра.

Датчик PVDF встроен в профиль, подобный крылу самолета, что уменьшает аэродинамическое сопротивление. Поскольку аэродинамический профиль может свободно вращаться, как флюгер, его можно использовать для измерения направления ветра.

Но чтобы проверить, как будет работать их устройство после попадания в атмосферу Земли, исследователи разработали двусторонний эксперимент. Сначала датчик давления был протестирован в герметичной камере, чтобы определить его чувствительность. Затем датчик был встроен в аэродинамическую трубу и протестирован в аэродинамической трубе. Результаты показали, что датчик чрезвычайно хорошо измеряет как давление, так и скорость ветра. Небольшой цифровой магнитометр-компас, встроенный в профиль, обеспечивает точные данные о направлении ветра путем измерения абсолютной ориентации профиля относительно магнитного поля Земли.

Но необходимо провести дополнительные исследования, чтобы перенести концепцию датчика ветра из контролируемой исследовательской среды в коммерческое применение. Поскольку его команда продолжает работать с PVDF и другими передовыми материалами для улучшения сенсорной технологии, Дапино надеется, что их работа в конечном итоге приведет к созданию технологии, которую можно будет использовать за пределами самолетов, например, для ветряных турбин для получения чистой, эффективной и легкодоступной энергии для населения.

"Это очень передовые материалы, и они могут быть использованы во многих областях применения", - сказал Дапино. "Мы хотели бы использовать эти приложения для обеспечения компактного производства энергии ветра в домашних условиях".

Проект является частью Центра концепций интеллектуальных транспортных средств, кооперативного исследовательского центра промышленного университета Национального научного фонда в штате Огайо. Эйдзи Итакура из Toyota Motors Corporation в Японии и Умеш Ганди из Исследовательского института Toyota в Северной Америке возглавляют команду, которая поддержала это исследование. Другим соавтором исследования был Арун К. Раманатан, недавний выпускник программы машиностроения штата Огайо.