Innovador robot emula aves acuáticas para volar y nadar con alas únicas

Un innovador robot que simula el comportamiento de las aves está revolucionando la investigación en biomecánica. En el mundo existen alrededor de 100 especies de aves, como el frailecillo y el cormorán, que han desarrollado la habilidad de volar, sumergirse y nadar simultáneamente. A pesar de que el agua es 1,000 veces más densa que el aire, estas aves se han adaptado a diferentes entornos utilizando sus alas de manera versátil. Sin embargo, observar y comprender cómo logran estas hazañas en su hábitat natural ha resultado un desafío considerable para los científicos.

Con el fin de descifrar este enigma, un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) ha creado el “FAAV”, un robot volador que no solo es capaz de surcar los cielos, sino que también puede sumergirse en el agua y despegar nuevamente desde la superficie. A través de experimentos realizados en tanques y lagos, el equipo ha logrado identificar la combinación óptima de variables, como el tamaño de las alas, la frecuencia de aleteo y el ángulo de la cola, con el propósito de entender mejor cómo las aves acuáticas se desplazan por el aire y el agua.

“Las aves como el frailecillo atlántico son capaces de volar a grandes velocidades y, al mismo tiempo, sumergirse y nadar a 3 metros por segundo”, comenta Raphaël Zuffre, profesor adjunto del MIT especializado en ingeniería mecánica. “Era evidente que era posible, pero no existía un intento previo de replicar esto en un robot móvil”.

Diseño de alas versátiles

El equipo de Zuffre comenzó su investigación revisando la literatura científica sobre diversas especies de aves acuáticas, incluyendo frailecillos, pardelas y martines pescadores. Se descubrió que las aves más pequeñas aletean unas 10 veces por segundo en el aire y alrededor de 4 veces por segundo en el agua. Las especies más grandes, debido a su envergadura, presentan un número ligeramente menor de aleteos en ambos entornos.

Con base en estos hallazgos, se desarrolló un robot que imita este comportamiento variando su frecuencia de aleteo dentro de un rango similar al de las aves acuáticas reales: entre 0.1 y 6 veces por segundo en el agua, y de 5.2 a 11 veces por segundo en el aire. Las alas del FAAV están fabricadas con una membrana extremadamente delgada y recubiertas con nanopartículas hidrofóbicas que repelen el agua.

El robot tiene un peso inferior a 300 gramos (aproximadamente 0.5 libras) y está compuesto por un fuselaje, dos alas flexibles y una cola que puede maniobrar. El fuselaje incluye una batería y un motor eléctrico resistente al agua que acciona un cigüeñal para mover las alas a una frecuencia programada. Además, al ajustar el ángulo de la cola, se puede alternar entre el ascenso y el descenso.

En lugar de utilizar un mecanismo complejo de plegado, las alas del FAAV han sido diseñadas para ser altamente flexibles. Esta flexibilidad permite que, al sumergirse, la carga que soportan se reduzca naturalmente, lo que a su vez facilita un aleteo más frecuente en comparación con alas rígidas. Es esencial que las alas sean lo suficientemente flexibles para disminuir la amplitud del aleteo bajo el agua, pero también lo bastante rígidas para sostener el cuerpo en el aire.

Resultados de las pruebas y eficiencia en el desplazamiento

Para evaluar la efectividad de su diseño, el equipo fabricó tres prototipos de alas: pequeñas (60 cm de envergadura), medianas (80 cm) y grandes (100 cm), y comparó su rendimiento en vuelo y natación. Las pruebas realizadas en un tanque de agua y en el lago Lemán, Suiza, mostraron que el prototipo con alas de tamaño mediano era capaz de realizar de forma estable tanto el vuelo como la natación, así como transitar de uno a otro de manera eficiente.

Con esta configuración, el robot alcanzó una velocidad de natación cercana a 1 m/s con 5 aleteos por segundo, y una velocidad de vuelo de aproximadamente 6 m/s con una frecuencia de aleteo similar. Estos resultados se aproximan a las velocidades y frecuencias de aleteo de las aves buceadoras en la naturaleza.

Un aspecto crucial en el despegue del agua hacia el aire fue el ángulo de salida del robot. Los investigadores encontraron que al despegar con un ángulo relativamente pronunciado de 70 grados, se evita que la punta de las alas toque el agua. Si el ángulo es demasiado vertical, el cuerpo tiende a inclinarse hacia atrás, provocando que el robot se sumerja nuevamente.

Mientras que las aves como los frailecillos y los patos utilizan sus patas para impulsarse al despegar del agua, este experimento demostró que es posible ascender sin un tren de aterrizaje, siempre que se combinen adecuadamente las dimensiones de las alas, la frecuencia de aleteo y el ángulo de la cola.

El futuro del FAAV y sus aplicaciones

El equipo también llevó a cabo un experimento en el que el FAAV se sumergió en el agua mientras volaba a 5 m/s. Durante este proceso, el robot desaceleró bruscamente hasta alcanzar 0.5 m/s, experimentando una fuerza de impacto equivalente a 60 veces la gravedad. Sin embargo, independientemente de si las alas estaban en movimiento o no, y del ángulo en que se sumergían, el FAAV logró nadar sin problemas.

Además, se evaluó la eficiencia energética en el desplazamiento del robot. Al comparar el consumo de energía entre el vuelo y la natación, se determinó que, cuando la distancia recorrida supera los 15.5 metros, es más eficiente energéticamente despegar, volar y luego sumergirse, en lugar de continuar nadando.

Con miras al futuro, los investigadores planean perfeccionar el diseño de las alas para permitir no solo movimientos verticales, sino también giros. Asimismo, tienen la intención de probar el rendimiento del robot en condiciones más desafiantes, como al salir a nado de una superficie agitada o volar en presencia de viento. La visión a largo plazo es crear un robot que pueda recolectar muestras en áreas marinas inaccesibles para los barcos de observación oceánica.