Los colimbos, las gaviotas, los frailecillos y los petreles son algunas de las 100 especies de aves que pueden volar y nadar. Estas aves buceadoras pueden zambullirse en el agua para nadar tras sus presas y volver a alzar el vuelo.

Inspirados por estos aviadores acuáticos por naturaleza, ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), de EEUU, y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, en francés), de Suiza, han creado el mencionado robot, según explican en un artículo publicado este jueves en la revista ‘Science’.

El ‘vehículo aéreo-acuático de alas batientes’ pesa menos de 300 gramos y está diseñado para ayudar a los científicos a estudiar El robot tiene un cuerpo central o fuselaje, dos alas flexibles que aletean y una cola orientable. Tanto las alas como la cola pueden intercambiarse por otras de diferentes tamaños.

OCÉANOS

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 la cola que permiten al robot pasar fluidamente de nadar a romper la superficie del agua y, finalmente, a volar por el aire.

Sus resultados 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 generación de drones y vehículos aéreos-acuáticos. Los investigadores prevén que estos robots alados podrían utilizarse en oceanografía para volar a regiones acuáticas a las que, de otro modo, sería demasiado peligroso acceder para los buques oceánicos tradicionales, y tomar muestras de ellas.

“Nuestra visión ideal es que oceanógrafos, biólogos marinos y miembros de comunidades costeras puedan lanzar este robot desde una embarcación 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”, explica Raphael Zufferey, profesor adjunto de ingeniería mecánica en el MIT.

Zufferey añade: “Se sumergiría para tomar una medida o recoger una muestra, y regresaría para entregar los datos a una fracción del costo de los métodos tradicionales. Luego podría volver a sumergirse para obtener más información”.

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 monitorear 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. El objeto tendría que adaptarse y transitar entre dos sustancias muy diferentes, pues el agua es 1.000 veces más densa que el aire y moverse a través de una u otra requiere mecanismos muy distintos.

“Es necesario realizar cierta adaptación para que esa transición funcione. Pero existe una solución en la naturaleza”, indica Zufferey, antes de añadir: “Aves como los frailecillos pueden volar muy rápido y bucear y nadar a velocidades de tres metros por segundo. Son capaces de hacer cosas realmente asombrosas. Así que sabíamos que era posible. Simplemente, nadie lo había intentado en un sistema robótico móvil”.

Para comprender cómo vuelan las aves buceadoras, el equipo revisó la literatura científica y recopiló datos sobre frailecillos, petreles, martines pescadores y otras aves buceadoras.

Observaron que las aves más pequeñas aletean unas 10 veces por segundo al volar y unas cuatro veces por segundo al nadar. Las más grandes aletean con una frecuencia ligeramente menor tanto en el aire como en el agua debido a su mayor envergadura.

Teniendo en cuenta la biomecánica de las aves, el equipo desarrolló un robot alado diseñado para aletear a frecuencias similares a las de las aves buceadoras reales.

DAR EL SALTO

El nuevo robot se asemeja a un pájaro, 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 finas membranas recubiertas con nanopartículas hidrofóbicas para repeler el agua. La cola, motorizada, le 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.

FLEXIBILIDAD DE LAS ALAS

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 fundamental; 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 un metro por segundo al aletear con una frecuencia de cinco hercios, es decir, cinco aleteos por segundo. Además, podía volar a unos seis metros por segundo al aletear con 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 en el aire. Si la inclinación fuera mayor, el robot volvería a caer al agua.

Curiosamente, esta combinación de tamaño de las alas, frecuencia de aleteo y ángulo de la cola permitió al robot nadar bajo el agua, impulsarse desde la superficie y volar sin recurrir a las patas, un elemento que muchas aves buceadoras sí necesitan para despegar.

SIN REMO

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.

“Si observamos a las aves, la mayoría necesita remar en la superficie para despegar. La pregunta era: ¿necesitamos lo mismo para los robots? Y resulta que no”, afirma Zufferey.

En adelante, 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 resolver interrogantes en la oceanografía.

“Uno de los mayores desafíos en la oceanografía es recopilar datos con frecuencia y en múltiples ubicaciones, algo que este robot podría hacer en el futuro. Se podría enviar no solo semanalmente, sino cada hora. Podría volar a gran velocidad, sumergirse, regresar, entregar sus datos y volver a salir varias veces”, concluye Zufferey.