Hasta ahora era imposible diseñar un robot que, con solo un salto, pudiera volar de manera inmediata después de nadar en el agua o caminar en el suelo: ningún dron o robot, por sofisticado que fuera, había podido lograr esto que las aves cazadoras hacen de manera natural y cotidiana.
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Para los sistemas robóticos tener múltiples modos de locomoción como caminar, saltar, nadar y despegar al vuelo ha sido un desafío; los científicos e ingenieros ya habían hecho diseños, pero se volvían demasiado complejos mecánicamente o muy pesados para poder volar apropiadamente.
Por ello, un equipo de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, y de la Universidad de California, en Irvine, EE. UU., decidieron copiar el diseño biomecánico de las patas de las aves para desarrollar robots voladores con múltiples formas de locomoción.
Con el nuevo diseño biomecánico descrito en la revista Nature, el robot llamado “Vehículo robótico inspirado en aves para múltiples entornos”, denominado en inglés, RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple Environments), puede saltar al vuelo, caminar sobre el suelo y evadir obstáculos.
Muchos organismos, de hecho, pueden pasar sin problemas de un modo de locomoción a otro, a menudo utilizando las mismas partes del cuerpo como los peces voladores que usan sus aletas para nadar bajo el agua y se convierten en alas cuando el pez comienza a planear fuera de ella. O las aves, que pueden pasar de nadar en el agua a volar con solo un salto, con una velocidad y eficiencia notables.
El equipo de científicos, encabezados por Won Dong Shin, del Laboratorio de Sistemas Inteligentes de la Escuela Politécnica de Lausana y sus colegas, indica en el artículo que “la mayoría de las aves pueden navegar sin problema entre entornos aéreos y terrestres” (leer en: DOI 10.1038/s41586-024-08228-9). “El despegue iniciado por las patas saltando es una estrategia rápida y energéticamente eficiente para los sistemas de vuelo que pasan del suelo al aire”.
capaz de locomoción terrestre y aérea y de transición activa tierra-aire. Cuando no es posible volar, las patas bípedas le permiten a RAVEN caminar sobre el suelo, saltar para despejar un espacio, saltar sobre un obstáculo y saltar para despegar para volar. Imágenes tomadas de: Nature.
el robot llamado “Vehículo robótico inspirado en aves para múltiples entornos”, denominado en inglés, RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple Environments), puede saltar al vuelo, caminar sobre el suelo y evadir obstáculos.
Inspiración aviar
Aunque el diseño no es tan complejo como la anatomía de patas multisegmentadas que se observa en las aves, los investigadores diseñaron las extremidades con estructuras que imitan una cadera, un tobillo y un pie que permite el despliegue de aeronaves en terrenos complejos.
Fueron analizados los distintos tipos de aves, así como la manera en cómo usan sus patas, para calcular la masa corporal y la energía que destinan los animales a ellas, por ejemplo, las aves más terrestres tienden a “invertir” más en masa en las patas, mientras que las aéreas, con un uso limitado de las transiciones de tierra a aire, son las que menos masa tienen en las patas; y las nadadoras muestran una menor masa en comparación con otras categorías.
Probablemente porque usan las patas para soportar el peso corporal y propulsarse en el suelo las aves corredoras y las zancudas (que caminan en el agua) tienen una mayor masa en comparación con otros grupos, y las rapaces (depredadoras) también tienen una masa alta, lo que refleja su uso para cazar presas.
Las más versátiles son las aves posadas, como el cuervo común, ya que cambian con frecuencia los modos de locomoción aéreos, terrestres y arbóreos, y su masa es intermedia.
Este análisis biomecánico, que a las aves les tomó millones de años de adaptación y evolución, le sirvió de base a los científicos para diseñar las patas de sus robots.
“El despegue saltando de RAVEN fue posible gracias a las patas inspiradas en las aves que tienen articulaciones de tobillo que amplifican la potencia que contribuye a una aceleración rápida para la velocidad de despegue, y a pies pasivamente flexibles que permiten el despegue en el ángulo de inclinación deseado”, indican los científicos.
Además, el diseño de las patas permitió marchas de locomoción adaptativas como caminar, saltar sobre un espacio y saltar sobre un obstáculo.
Locomoción multimodal
En su mayoría, los robots construidos hasta ahora se han limitado a combinar dos tipos de locomoción y ninguno lo ha podido hacer de manera multimodal, como lo hacen las aves. Pero gracias a las patas robóticas, el vehículo aéreo no tripulado RAVEN, puede caminar, dar saltos y volar.
Las patas amplían sustancialmente su rango de capacidades, lo que le permite moverse en entornos complejos, también pueden reducir los requisitos de tiempo y distancia de despegue, porque pueden saltar al vuelo sin necesitar ser lanzados o dejarse caer.
El diseño complejo de la biomecánica de las patas sin duda agrega complejidad y aumenta los costos energéticos, pero este problema lo resolvieron los investigadores con un diseño simplificado.
“Con RAVEN superamos el equilibrio entre complejidad y versatilidad que utiliza sus patas multifuncionales inspiradas en las aves para saltar rápidamente en el vuelo, caminar en el suelo y saltar obstáculos y huecos de manera similar a la locomoción multimodal de las aves”, indican los científicos. “Demostramos que saltar para despegar contribuye sustancialmente a la velocidad inicial de despegue y, notablemente, es más eficiente energéticamente que despegar sin el salto”.
Los drones de ala fija o robots aéreos muestran una mayor eficiencia energética y resistencia de vuelo en comparación con los drones de ala giratoria, pero su movilidad en tierra está restringida y para despegar normalmente requieren una pista o un lanzador.
Imagen cortesía de: EPFL/Alain Herzog with CC-BY-SA 4.0 license.
Las patas multifuncionales inspiradas en las aves pueden ampliar las capacidades de locomoción de los robots aéreos independientemente de las condiciones del terreno.
Multifuncionales para volar
Las aves vuelan con alas, pero las patas multisegmentadas son la característica esquelética clave que les permite desplazarse por casi todos los terrenos terrestres complejos y realizar transiciones entre modos de locomoción.
Las patas multifuncionales inspiradas en ellas pueden ampliar las capacidades de locomoción de los robots aéreos. En principio, podría caminar, correr, saltar y realizar una transición activa entre el suelo y el aire saltando para despegar y, por lo tanto, eliminar la necesidad de una pista o un lanzador independientemente de las condiciones del terreno.
Sin embargo, las patas poderosas tienen el costo de un peso adicional durante el vuelo y, por lo tanto, existe una compensación en la inversión de masa muscular para los modos locomotores terrestres frente a los aéreos. En diseños anteriores de robots que caminan de forma bípeda son demasiado voluminosas y pesadas para integrarlas en drones.
El desarrollo de estos robots multimodales plantea grandes desafíos, como una mayor complejidad mecánica y peso, lo que puede hacer que el vuelo sea ineficiente o imposible. Además, se requieren características de propulsión y cinemática de la marcha para generar modos locomotores distintos, como caminar y saltar.
Los principios de diseño realizados con patas de aves permitirán la construcción de máquinas más versátiles que, como los animales, pueden utilizar múltiples modos de locomoción al tiempo que maximizan la energía requerida para una mayor complejidad mecánica, por ello, en el futuro no será extraño ver robots voladores muy parecidos a las aves.
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