Inspirados por estas aves acuáticas, ingenieros del MIT y la EPFL en Lausana, Suiza, han diseñado un robot capaz de nadar bajo el agua y luego impulsarse fuera del agua para continuar volando por el aire, al igual que las aves buceadoras.
Este vehículo aéreo-acuático de alas batientes (FAAV, por sus siglas en inglés) pesa menos de 300 gramos y está diseñado para ayudar a los científicos a estudiar la mecánica que permite a las aves buceadoras volar tanto por el aire como por el agua.
El robot cuenta con un cuerpo central, o fuselaje; dos alas flexibles que se mueven con el viento; y una cola orientable. Las alas y la cola se pueden intercambiar por otras de diferentes tamaños. En experimentos realizados en un tanque de agua y en un lago local, los ingenieros identificaron combinaciones de tamaño de ala, frecuencia de aleteo y ángulo de cola que permiten al robot pasar fluidamente de nadar a emerger a la superficie y volar por el aire.
Sus resultados, publicados en la revista Science, podrían ayudar a los científicos a comprender cómo las aves buceadoras adaptan su mecánica de vuelo para desplazarse por el aire y el agua, medios con propiedades físicas muy diferentes. El diseño también podría dar lugar a una nueva clase de drones y vehículos aéreos-acuáticos. Los investigadores prevén que estos robots alados podrían utilizarse en oceanografía para volar y tomar muestras de regiones acuáticas que, de otro modo, serían demasiado peligrosas para que los buques oceánicos tradicionales pudieran acceder a ellas.
«Nuestra visión ideal es que oceanógrafos, biólogos marinos y miembros de comunidades costeras puedan lanzar este robot desde un barco o desde la costa, y que vuele cerca de la zona de interés, como un iceberg, una instalación portuaria o sobre un grupo de ballenas», afirma Raphael Zufferey, profesor adjunto de ingeniería mecánica en el MIT. «Se sumergiría para tomar una medida o recoger una muestra, y regresaría para entregar los datos a una fracción del coste de los métodos tradicionales. Después, podría volver a sumergirse para obtener más muestras».
Mecánica de vuelo
En el MIT, Zufferey dirige el Laboratorio AURA, donde él y sus estudiantes diseñan vehículos aéreos y acuáticos inspirados en la biomecánica de la naturaleza. Los robots que construyen son pequeños y están diseñados para explorar y monitorizar discretamente la salud de los océanos y las vías fluviales. Para su nuevo proyecto, el equipo se propuso diseñar un vehículo capaz de volar tanto en el aire como bajo el agua. Dicho vehículo tendría que adaptarse y transitar entre dos sustancias muy diferentes. El agua es 1000 veces más densa que el aire, y moverse a través de una u otra requiere una mecánica muy distinta. O al menos eso es lo que se suele suponer.
Inspirándose en la biomecánica de las aves, el equipo desarrolló un robot alado diseñado para aletear a frecuencias similares a las de las aves buceadoras reales. El nuevo robot se asemeja a un ave, con cuerpo, dos alas y cola. El cuerpo contiene una batería y un motor eléctrico impermeable que acciona un cigüeñal, el cual, a su vez, mueve las alas hacia arriba y hacia abajo a frecuencias preestablecidas. Las alas están hechas de membranas delgadas recubiertas con nanopartículas hidrofóbicas para repeler el agua. La cola, motorizada, permite cambiar su ángulo para ayudar al robot a ascender o descender.
Las alas se pueden intercambiar por otras de diferentes tamaños. Los investigadores fabricaron y probaron tres juegos de alas: pequeñas (60 centímetros de ancho), medianas (80 centímetros) y grandes (100 centímetros). Realizaron experimentos primero en un pequeño tanque de agua y luego en el lago Lemán, en Suiza.
En sus pruebas, colocaron el robot bajo el agua, a medio metro de profundidad. Programaron las alas para que aletearan a ciertas frecuencias y la cola para que se inclinara en ángulos específicos durante el vuelo del robot. Luego observaron bajo qué condiciones el robot lograba ascender a la superficie, salir del agua y elevarse en el aire.
El robot realizó múltiples vuelos con diferentes tamaños de alas, frecuencias de aleteo y ángulos de cola. En general, el equipo descubrió que el robot podía volar, nadar y alternar entre el agua y el aire de forma fiable cuando volaba con alas de tamaño mediano. La flexibilidad de las alas es clave; deben ser lo suficientemente flexibles para minimizar la amplitud del aleteo en el agua y, a la vez, lo suficientemente firmes para mantener al robot en el aire.
Los investigadores también descubrieron que el robot podía nadar a velocidades de casi 1 metro por segundo cuando aleteaba con una frecuencia de alrededor de 5 hercios, o cinco aleteos por segundo. El robot podía volar a unos 6 metros por segundo cuando aleteaba a una frecuencia similar. Las velocidades y frecuencias de aleteo del robot eran similares a las de las aves buceadoras reales. Para dar el salto del agua al aire, descubrieron que el robot debía inclinarse a 70 grados, un ángulo relativamente pronunciado que impide que las puntas de sus alas toquen la superficie del agua al elevarse. Si la inclinación fuera mayor, el robot se hundiría de nuevo en el agua.
Curiosamente, esta combinación de tamaño de las alas, frecuencia de aleteo e inclinación de la cola permitió al robot nadar bajo el agua, impulsarse desde la superficie y volar, sin algo que muchas aves buceadoras necesitan: las patas. Cuando aves como los frailecillos y los patos despegan de la superficie del agua, reman con las patas, además de batir las alas y mover la cola. Sorprendentemente, Zufferey y sus colegas descubrieron que, al menos en robótica, el acto de volar fuera del agua no requiere necesariamente una maniobra de remo.
De cara al futuro, el equipo está mejorando el diseño de las alas para que puedan girar, además de batirlas. También probarán el rendimiento del robot en condiciones turbulentas, como nadar en aguas agitadas y volar con viento. Su objetivo es desplegar el vehículo para ayudar a responder preguntas en la oceanografía.
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