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Drones con plumas

Un robot inspirado en las palomas podría encabezar la próxima generación de vehículos autónomos voladores.

Estas alas, fabricadas a partir de plumas reales de paloma, han permitido desarrollar un nuevo tipo de robot volador. [LENTINK LAB/UNIVERSIDAD STANFORD]

Desde el malhadado vuelo de Ícaro, los humanos siempre hemos buscado inspiración en las aves a la hora de emprender nuestras iniciativas aéreas. Durante largo tiempo, sin embargo, la proeza de volar como los pájaros, con alas flexibles y plumosas, se ha mostrado inalcanzable. Una razón es que los ingenieros no acababan de entender bien la manera en que las aves controlan sus plumas. Ahora, dos trabajos prometen dar un vuelco a esta situación. Un equipo de investigadores ha diseñado un robot volador provisto de alas con plumas que, al igual que ocurre con las de las aves, pueden cambiar de forma en pleno vuelo. El resultado es una maniobrabilidad mucho mayor que la lograda por los drones rígidos.

Para diseñar su robot alado, los científicos usaron la técnica audiovisual conocida como «captura de movimiento» para grabar y estudiar la forma en que las palomas pliegan y flexionan las alas mientras vuelan. A partir de esos resultados determinaron que era posible controlar 20 plumas en cada ala de su robot, al que bautizaron como PigeonBot, mediante bandas elásticas conectadas a solo dos articulaciones. Además, aplicaron técnicas de adquisición y análisis de imágenes para estudiar las estructuras microscópicas que, durante el vuelo, enganchan transitoriamente entre sí las plumas de muchas especies aviares. El PigeonBot necesita plumas reales para funcionar, por lo que los investigadores aún han de encontrar la manera de reproducir artificialmente sus propiedades para continuar perfeccionando la técnica.

Los científicos diseñaron los movimientos de las alas y de las plumas del robot imitando los de palomas reales, explica Eric Chang, ingeniero mecánico de Stanford y coautor del estudio. Las aves pueden virar y ladearse bruscamente variando la forma de sus alas, una facultad que los investigadores quisieron integrar en su aparato. Las imágenes de captura de movimiento mostraron que, en buena medida, las palomas lo consiguen abriendo y cerrando la articulación de sus alas equivalente a nuestra muñeca.

Una vez que los investigadores construyeron un prototipo (un cuerpo de espuma de poliestireno equipado con sistemas de guía electrónica y bandas elásticas para controlar las plumas de paloma), usaron un túnel de viento para estudiar el efecto de doblar las alas y determinar si funcionarían en condiciones de turbulencia realistas. El resultado fue positivo, lo que allanó el camino para las pruebas de planeo y viraje fuera del laboratorio. Chang, que controló el PigeonBot desde tierra, describe la experiencia como increíblemente angustiosa: «Cuando [el robot] aterrizó de una sola pieza, me desplomé en el suelo con sensación de alivio». Los científicos publicaron sus resultados el pasado mes de enero en la revista Science Robotics.

Las plumas de las palomas pueden adherirse automáticamente a sus vecinas para formar una superficie de vuelo lisa y flexible, y los científicos tuvieron que ingeniárselas para averiguar exactamente cómo lo hacen. Al igual que muchas especies aviares, las palomas lo consiguen gracias a ciertas estructuras microscópicas denominadas «cilios lobulados». Los ornitólogos las documentaron a principios del siglo XX; sin embargo, debido en parte a las limitaciones de la microscopía óptica de la época, supusieron que su función se limitaba a aumentar el rozamiento entre las plumas, algo similar a lo que ocurre cuando se frotan dos trozos de papel de lija, explica Teresa Feo, zoóloga del Museo Nacional de Historia Natural de Estados Unidos y coautora de un segundo trabajo publicado en Science también en enero. «Lo que descubrimos fue el mecanismo real de esos cilios: no generan rozamiento, sino que actúan más bien como ganchos», explica la investigadora. Los autores hallaron que esas pequeñas estructuras se sueltan cuando las aves doblan las alas y vuelven a unirse entre sí cuando las alas se extienden.

Llegar a esa nueva interpretación fue posible gracias a varias técnicas modernas como la microscopía electrónica de barrido, el microanálisis por rayos X y las tomografías computarizadas, apunta la también coautora del estudio Laura Matloff, ingeniera mecánica de Stanford. «Somos los primeros que hemos estudiado los cilios con nueva instrumentación», asegura.

Sin embargo, las plumas naturales siguen escondiendo misterios. Los investigadores hallaron una notable ausencia de cilios en las plumas de lechuzas y chotacabras, dos especies que acechan a sus presas durante la noche. Las microestructuras, que comparan con el velcro, emiten ruido cuando se separan, por lo que en estos cazadores sigilosos la evolución podría haber favorecido el vuelo silencioso sobre la unión entre plumas. «Parece un ejemplo bastante claro de evolución convergente, en el que se llegó a una solución de compromiso», señala Julia Clarke, paleontóloga de la Universidad de Texas en Austin que no participó en ninguno de los dos trabajos. La experta se siente intrigada por la historia evolutiva de los cilios, aunque admite que puede resultar difícil encontrar esas diminutas estructuras en el registro fósil.

Emular características que contribuyan a hacer superficies de vuelo suaves pero robustas podría tener un valor incalculable a la hora de diseñar alas artificiales capaces de cambiar de forma, un paso clave para diseñar drones de nueva generación. Es cierto que los típicos aparatos cuadricópteros se manejan con facilidad y pueden mantenerse suspendidos en el aire. No obstante, Chang sostiene que los drones alados serían más rápidos y silenciosos. El equipo de Stanford trata ahora de encontrar la mejor manera de diseñar un ala con forma tal que ofrezca no solo una mayor eficiencia, sino también la posibilidad de cambiar de forma dinámicamente.

Esta línea de investigación «señala el camino hacia nuevos modelos de robots voladores biomiméticos que tendrían múltiples aplicaciones», opina Phil Husbands, investigador de la Universidad de Sussex y experto en robótica inspirada en la naturaleza que no participó en los trabajos. «Un reto interesante consistirá en desarrollar plumas artificiales blandas que puedan rivalizar con las reales en lo que respecta a su capacidad de cambiar de forma», añade.

Las alas con plumas constituyen «un elemento del todo inusual en ingeniería aeroespacial», pues construir una pluma artificial que funcione sigue planteando un desafío enorme, afirma el investigador principal de ambos estudios, David Lentink, ingeniero aeroespacial y zoólogo experimental de Stanford. Y las estructuras como los cilios lobulados son demasiado diminutas para las impresoras 3D actuales, agrega.

Aun así, Lentink opina que, en su encarnación actual, el PigeonBot podría ayudar a los zoólogos a entender mejor el modo en que las aves controlan las alas durante el vuelo. Estudiar aves vivas en un túnel de viento es complicado, y entrenarlas para que a una orden muevan únicamente el equivalente a una muñeca o a un solo dedo resulta prácticamente imposible. «Mi objetivo es desarrollar modelos de aves más realistas y documentar una amplia variedad de especies que exhiban tipos de vuelo muy distintos», añade. Los museos disponen de una enorme cantidad de plumas que podrían usarse en robots, lo cual permitiría a los científicos analizar esa diversidad de vuelos, explica Lentink. Y sustituir seres sintientes por robots puede reducir la necesidad de investigar con animales. «Existe un amplio abanico de cuestiones que podrían estudiarse con estos robots», asegura. «Y de todo ello también surgirán numerosos interrogantes científicos», concluye el investigador.

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