A bio-inspired air mMicro-vehicle actuated by shape memory alloy artificial muscles

Abstract

The rapid development of aerial micro-vehicles has been driven by their potential use in surveillance, environmental monitoring, and search-and-rescue applications. Among emerging solutions, bio-inspired flapping-wing designs offer a promising alternative to conventional fixed- and rotary-wing platforms by emulating the flight mechanisms of birds and insects. This thesis presents the design and experimental validation of a bio-inspired air micro-vehicle actuated by Shape Memory Alloy (SMA) artificial muscles. The proposed system leverages the high power-to-weight ratio, silent operation, and compactness of SMA actuators to achieve a lightweight and mechanically simple flapping mechanism. Resonant compliant joints are incorporated to operate near the system’s natural frequency, improving energy efficiency while maximizing wing stroke amplitude and aerodynamic performance. The structure is realized using lightweight materials such as carbon fiber and high-temperature resin, while flexible wing membranes are optimized for aerodynamic efficiency. Experimental validation includes high-speed motion analysis and wind tunnel testing to evaluate wing kinematics, lift, and thrust generation under varying actuation conditions. An embedded control system based on an ESP32 microcontroller enables precise SMA actuation and wireless control via Bluetooth. The results demonstrate the feasibility of SMA-driven flapping-wing micro-vehicles and highlight their potential for efficient and agile flight in constrained environments.

Die rasante Entwicklung von Luft-Mikrofahrzeugen wird maßgeblich durch ihre Einsatzmöglichkeiten in der Überwachung, Umweltbeobachtung sowie bei Such- und Rettungseinsätzen vorangetrieben. Bio-inspirierte Schlagflügelkonzepte stellen dabei eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Starr- und Drehflügelsystemen dar, da sie die Flugmechanismen von Vögeln und Insekten nachahmen. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und experimentelle Validierung eines bio-inspirierten Luft-Mikrofahrzeugs, das durch künstliche Muskeln aus Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloys, SMA) angetrieben wird. Das vorgestellte System nutzt das hohe Leistungs-Gewichts-Verhältnis, den geräuschlosen Betrieb und die kompakte Bauform von SMA-Aktuatoren, um einen leichten und mechanisch einfachen Schlagflügelmechanismus zu realisieren. Resonante, nachgiebige Gelenke ermöglichen den Betrieb nahe der Eigenfrequenz des Systems und steigern dadurch die Energieeffizienz sowie die aerodynamische Leistungsfähigkeit. Der Aufbau erfolgt mit leichten Materialien wie Carbonfaser und Hochtemperaturharz, während flexible Flügelmembranen für eine effiziente Aerodynamik ausgelegt sind. Die experimentelle Validierung umfasst Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Analyse der Flügelkinematik sowie Windkanalversuche zur Bestimmung von Auftriebs- und Schubkräften. Ein eingebettetes Steuerungssystem auf Basis eines ESP32-Mikrocontrollers ermöglicht eine präzise SMA-Ansteuerung und drahtlose Steuerung via Bluetooth. Die Ergebnisse bestätigen das Potenzial SMA-getriebener Schlagflügel-Mikrofahrzeuge für effiziente und agile Flugmanöver in beengten Umgebungen.