El vuelo de RoboBee X-Wing
Los
pequeños vehículos voladores requieren complejas concesiones de diseño y han confiado previamente en una fuente de alimentación externa. El vuelo sostenido de un
robot sin ataduras, del tamaño de un insecto, representa un gran avance.
Regresando a la época de Leonardo da Vinci, el vuelo animal ha inspirado la investigación humana, y hemos tratado de emular a la naturaleza construyendo máquinas que intentan volar con alas batientes. En un artículo en Nature, Jafferis et al. Reporto un paso clave hacia la emulación del vuelo de los insectos con lo que dicen ser el vehículo aéreo más liviano a escala de insectos que haya logrado un vuelo sostenido y sin ataduras.
Además de la alegría estética de imitar la naturaleza, los robots de alas batientes tienen varias ventajas potenciales sobre los drones y cuadricópteros de ala fija (helicópteros de cuatro rotores) que se han vuelto tan populares en aplicaciones comerciales y recreativas. Las alas batientes hacen que los animales y las máquinas sean muy ágiles y maniobrables; por ejemplo, los murciélagos pueden volar con facilidad a través de sótanos, cuevas y bosques densos. Además, las alas batientes se mueven típicamente con velocidades de punta más bajas que las hélices y, por lo tanto, son más silenciosas y causan menos daño si entran en contacto con personas o propiedades.
Además, los biólogos pueden usar
robots de alas batientes para abordar cuestiones fundamentales sobre la evolución del vuelo y las bases mecánicas de la selección natural. Por todas estas razones, el vuelo de alas batientes bioinspirado ha sido un área de gran interés, especialmente en las últimas dos décadas. Como resultado, ha habido avances impresionantes en nuestra comprensión de la aerodinámica y el control de los
volantes robóticos bioinspirados, así como varios ejemplos de robots de aleteo autónomos diseñados.
Lograr el vuelo robótico a la escala de insectos presenta tres desafíos específicos. Primero, los materiales utilizados para construir el robot deben ser fuertes, pero livianos. En segundo lugar, los actuadores diseñados por humanos (dispositivos que convierten la energía en movimiento) y las baterías aún están lejos de darse cuenta de las densidades de potencia y energía, respectivamente, del tejido biológico. Y tercero, los algoritmos de detección y control que los animales utilizan habitualmente para mantener un vuelo estable y para maniobrar son increíblemente complejos. Estos algoritmos han demostrado ser difíciles de imitar incluso con el uso de una supercomputadora, a pesar del hecho de que un cerebro de insecto típico tiene solo alrededor de un millón de neuronas, que es órdenes de magnitud menores que la cantidad de componentes en el sistema de procesamiento de una supercomputadora.
El trabajo de Jafferis y sus colegas se basa en varios años de investigación y desarrollo impresionantes. Los autores combinan una multitud de tecnologías diversas en un tour de fuerza de
diseño de sistemas e ingeniería para lograr el vuelo sostenido de un robot del tamaño de un insecto denominado RoboBee X-Wing. El vuelo sostenido y motorizado es un modo de transporte exigente desde el punto de vista energético, y la tecnología de batería existente está muy por detrás de la naturaleza en su capacidad de proporcionar una fuente de energía liviana. Los anteriores
voladores robóticos del tamaño de un insecto del 7 al 10 han confiado en una 'atadura' eléctrica para suministrar al sistema de vuelo la energía necesaria.
Los autores actuales evitan este problema de manera bastante ingeniosa, mediante el uso de paneles solares colocados en la parte superior del RoboBee. La iluminación de los paneles por una fuente de luz de alta intensidad proporciona los aproximadamente 120 milivatios necesarios para impulsar el sistema de vuelo de 259 miligramos. Este enfoque basado en la luz es similar a al menos otra demostración del despegue de un robot 6 ultraligero. La afirmación de Jafferis y sus colegas de que sus robots logran un vuelo sostenido, en lugar de solo saltar o despegar, es quizás discutible y gira en torno a lo que se define como "sostenido": dejaremos que los historiadores decidan ese tema.
La construcción de una estructura de ala-cuerpo ligera pero fuerte siempre ha sido el primer obstáculo en la ingeniería de aeronaves. Los sistemas de vuelo pequeños pueden beneficiarse de la ley cubo-cuadrado, según la cual, a medida que un vehículo disminuye de tamaño, su masa corporal disminuye más rápido que su área de superficie de ala (que es proporcional a la fuerza de elevación generada). Sin embargo, otros problemas son más difíciles para los vehículos pequeños que para los grandes, como el problema de fabricar y ensamblar un sistema de musculatura artificial robusto y preciso.
En el núcleo del RoboBee se encuentra un sistema de alas batientes, hecho de un material compuesto y construido mediante un proceso conocido como mecanizado por láser. Este proceso ha sido un sello distintivo de los autores del estudio, que pertenecen a un grupo de investigación en el Laboratorio de Microrobóticos de Harvard en Cambridge, Massachusetts. El grupo ha desarrollado una herramienta de diseño y fabricación que ha evolucionado y madurado hasta convertirse en un recurso invaluable (y envidiable) para la fabricación de robótica a pequeña escala. El diseño actual del sistema de ala batiente utiliza una innovadora configuración de cuatro alas que se mueve hacia adelante y hacia atrás. Este movimiento es impulsado por piezoeléctricos integrados (materiales que convierten la electricidad en fuerzas mecánicas) y genera una elevación suficiente con demandas de potencia aceptables.
Una desventaja perenne de los piezoeléctricos es que, aunque pueden aplicar grandes fuerzas a un material, inducen pequeños desplazamientos y requieren altos voltajes. Los avances clave en el trabajo actual son la optimización de una transmisión mecánica para generar las características adecuadas de fuerza-desplazamiento y el desarrollo de un circuito electrónico ligero que convierte los bajos voltajes generados por los paneles solares en los impulsos de 200 voltios necesarios para alimentar a los piezoeléctricos. .
Todos estos componentes se combinan para producir el sistema de prueba resultante: un dispositivo alto y angosto, que tiene sus paneles solares colocados en lo alto sobre el sistema de aletas y su electrónica colgada debajo. Ciertamente no es el aviador más estéticamente agradable, pero cuando se encienden las luces, se levanta y logra un vuelo sostenido, autónomo y sin ataduras. Aunque el dispositivo en sí mismo es un logro impresionante, igualmente gratificante es la descripción detallada del modelado y diseño que el equipo ha puesto en el sistema
. El vuelo del RoboBee representa mucho más que la suma de las partes. También refleja el compromiso exitoso que se ha logrado entre los intereses en competencia de peso, poder, control, fuerza, resiliencia e incluso costo.
Todavía hay mucho trabajo por hacer, y no estamos del todo en el punto en el que un robot enjambre se adentrará en los cielos, como lo representan las pesadillas en la ciencia ficción distópica, como la novela Prey de Michael Crichton. El robot de Jafferis y sus colegas requiere una luz intensa para generar suficiente energía para el despegue (al menos tres veces la intensidad del Sol). Además, el robot vuela por poco menos de un segundo antes de desviarse de la vista, probablemente dirigiéndose a un aterrizaje forzoso. Sin embargo, los avances en tecnologías de baterías pronto podrían eliminar la necesidad de paneles solares, y con las capacidades cada vez mejores de la electrónica y la tecnología de comunicación a pequeña escala, el vuelo controlado de pequeños robots parece estar a nuestro alcance.
