Un equipo de ingenieros en el MIT ha desarrollado un planeador robótico capaz de volar tanto en el aire con vientos fuertes y montar rápidamente a lo largo de la superficie del agua.

En la redacción del diseño único de su robot, que llaman el "vehículo náutico no tripulado náutico de aire-agua, O UNAv, los investigadores se inspiraron en diseños biológicos y artificiales.

Buscaron albatros, aves marinas capaces de volar largas distancias en áreas ventosas, al diseñar las capacidades de vuelo del robot. Ellos fusionaron esa influencia con el diseño de veleros, permitiendo que el robot se deslice sobre el agua con la misma eficiencia con la que vuela.

La combinación demuestra ser más que la suma de sus partes. La UNAv es capaz de mover 10 veces más rápido que los veleros, y requiere solo un tercio de la energía eólica requerida por los albatros para volar.

El UNAv también es bastante liviano y pesa unas modestas libras 6.

¿Por qué albatros?

"Los albatros son criaturas muy especiales", dijo Gabriel Bousquet, un ex postdoc en MIT Departamento de Aeronáutica y Astronáutica, quien dirigió el desarrollo de UNAv como parte de su tesis de posgrado.

Los albatros, señaló, vuelan miles de millas a través de algunas de las condiciones climáticas más duras del mundo.

"Para los albatros, parece que cuanto más grande es la tormenta, mejor - y lo más sorprendente, recorren esas enormes distancias sin siquiera batir sus alas", dijo.

Los albatros pueden usar el viento para impulsar su vuelo, lo que les permite viajar largas distancias a través de los fuertes vientos y las inclemencias del tiempo, al tiempo que ejercen una energía mínima.

Hace un año, Bousquet, junto con otros dos investigadores del MIT, Jean-Jacques Slotine, profesor de ingeniería mecánica y ciencias de la información y de ciencias del cerebro, y Michael Triantafyllou, el Profesor Henry L. y Grace Doherty en Ciencia e Ingeniería del Océano, publicó un estudio sobre la mecánica del albatros patrón de vuelo único.

Los albatros usan una técnica única llamada elevación dinámica, en la que entran y salen de las capas de aire de alta y baja velocidad. En el estudio mencionado anteriormente, los investigadores identificaron un mecanismo que denominaron "transferencia de impulso", en el cual el ave toma impulso de las capas de viento de alta velocidad y se sumerge en capas más lentas, usando ese impulso para impulsarse sin batir constantemente sus alas .

Bousquet también notó que los veleros usan el mismo principio de transferir impulso para moverse a través del agua. Es decir, los veleros toman impulso desde el aire usando la vela y la transfieren al agua usando la quilla, impulsando el bote hacia delante a lo largo del agua.

Al observar la similitud entre los mecanismos del vuelo de albatros y los viajes en veleros, los investigadores buscaron crear un vehículo que combine las distintas ventajas que conlleva cada diseño.

Los albatros, con alas para proporcionar sustentación natural, son expertos en mantenerse en el aire en el aire, mientras que los veleros transfieren impulso entre dos capas, aire y agua, a velocidades muy diferentes.

"Luego nos dimos cuenta de que si fusionábamos las ideas de un velero y el de un albatros, agregando una vela y una vela de quilla a un avión planeador, podíamos juntar lo mejor de ambos, y hacer un sistema que estuviera a la altura. a 10 veces más rápido que los veleros, y requieren un tercio de viento como los albatros para volar usando energía eólica ", dijo Bousquet.

Diseñando UNAv

En su diseño, los investigadores fusionaron los conceptos. Utilizaron un marco de planeador autónomo diseñado por Mark Drela, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT, y lo equipó con una vela alta y triangular y una quilla especialmente diseñada.

"Seguimos adelante y diseñamos un planeador del tamaño de un albatros, equipado con una quilla, para volar como un albatros, e inyectar impulso en el agua como un velero", dijo Bousquet. "En la práctica, la quilla se ve como un pequeño ala vertical que se extiende desde el vientre del planeador, y la punta de ese ala pequeña está diseñada para sumergirse cuando el planeador se desliza sobre 50 cm sobre la superficie".

También unieron un grupo de instrumentos al planeador que ayudaría al robot a medir su movimiento. Esto incluye un GPS, sensores de medición inercial, instrumentación de piloto automático y ultrasonido para rastrear la altura del parapente sobre el agua.

Para que el planeador funcione correctamente, debe ser capaz de medir y dictar su movimiento con una precisión increíble, especialmente en el momento en que hace la transición entre volar en el aire y sumergir la quilla en el agua.

"La UNAv necesita tener un control automático a bordo que sea capaz de volar a una altura extremadamente baja y sumerja su quilla en el agua con precisión centimétrica, y al mismo tiempo debe ser capaz de controlar la fuerza generada por la quilla extremadamente bien ", dijo Bousquet.

En experimentos llevados a cabo en el otoño de 2016, los investigadores tomaron un prototipo de UNAv que carecía de una vela para un paseo de prueba en el río Charles de Boston. Sin una vela, la UNAv carecía de un mecanismo de propulsión, por lo que el equipo lo ató a un bote y lo remolcó hasta que reunió la velocidad suficiente para volar solo.

Como esperaban, su planeador pudo volar sobre el agua a 20 millas por hora, sumergirse para sumergir su quilla en el agua, alejarse del bote con el ajuste de su quilla, y volar de regreso fuera del agua.

Los experimentos demostraron que su dispositivo puede, de hecho, volar de manera eficiente utilizando energía de aire y agua.

¿Qué es lo siguiente?

En el futuro, los investigadores pretenden completar un prototipo completo de la UNAv que incluye una vela y demostrar la propulsión impulsada por el viento.

Si tienen éxito, la UNAv podría usarse para monitorear franjas de océanos que son difíciles de alcanzar de manera rentable. UNAVs podría teóricamente usarse para recopilar datos valiosos sobre nuestros océanos. En particular, señala Bousquet, podrían usarse para recopilar información sobre la absorción de CO2 oceánico.

"Cómo CO2 es absorbido por los océanos es impulsado por procesos muy complejos, relacionados con la física, la biología y la química, y su comprensión requiere una gran cantidad de control in situ", dijo. "En particular, el océano austral es uno de los principales absorbentes de CO2, pero debido a que es ventoso y remoto, es uno de los menos monitoreados. Imagino que cientos de UNAV recorren los mares del sur y recopilan datos para que los utilicen los científicos. UNAvs también podría ayudar tremendamente a la búsqueda y rescate en el mar, y al monitoreo de las áreas pesqueras y protegidas del mundo.

El diseño novedoso de UNAv también demuestra una contribución importante al campo emergente de la ingeniería inspirada en la biología. La infusión del equipo de mecanismos biológicos en un sistema diseñado presagia un futuro emocionante de diseños similares.

"Estamos viviendo un momento muy emocionante, donde las capacidades de ingeniería se están volviendo lo suficientemente avanzadas como para traducir realmente la bioinspiración a sistemas de ingeniería, como la UNAv", dijo Bouquet. "Piensa en qué tan maniobrables son los vencejos o los murciélagos, qué tan eficientes son los albatros y las fragatas. Todavía hay una gran brecha entre el rendimiento de vuelo de estos animales y los sistemas de ingeniería, y espero que en la próxima década, muchas ideas lanzadas desde los sistemas biológicos lleguen a los sistemas de ingeniería ".