Los drones son sistemas que tiene variadas aplicaciones, desde hacer vídeos musicales o similares espectaculares hasta la posibilidad de ser usados en misiones militares de alto riesgo. Pero tiene un problema bastante grave: son relativamente «torpes» al moverse por el aire, si los comparamos con las maniobras que cualquier pájaro o insecto es capaz de realizar.
En un artículo reciente un grupo de investigadores logró mejorar lo suficiente el diseño de drones con alas relativamente pequeños como para que pudiera maniobrar mucho más.
Comienzan el artículo señalando que el sistema de vuelo mediante aleteo es mucho más versátil que el sistema de vuelo mediante alas fijas o rotores, que generalmente se usan en los diseños humanos. Continúa comentando que si bien hay algún vehículo alado pequeño que use aleteo y puede realizar varias maniobras, como volar hacia delante y hacia atrás, en círculos y otras, sigue siendo muy raro que puedan permanecer suspendidos en el aire.
El mayor problema no es tanto imitar las formas y estructuras observadas en la naturaleza en animales voladores pequeños, como las pérdidas por la transmisión que se producen desde el motor, que puede ser mucho más potente que el sistema vivo hasta las alas, independientemente del tipo de control o tecnología que el sistema de vuelo del robot tenga. Como ejemplos de tecnologías de vuelo citan alas flexibles que pueden rotar de manera pasiva, sin ayuda de ningún motor y almacenamiento elástico de energía para recuperar parte de la potencia del movimiento.
De hecho, las ganancias aerodinámicas por usar aleteo pueden llegar a perderse debidos a las pérdidas de energía en los engranajes del mecanismo. Los autores del artículo ven que la mayor fuente de pérdidas energéticas en la mecánica del robot es el ángulo del eje de rotor cuando se quiere realizar alguna maniobra con las alas. De hecho, comprobaron que en sistemas de transmisión directa desde el motor hasta el ala, es el problema del giro del eje el que causa mayor cantidad de pérdidas por rozamiento.
Por eso diseñaron un sistema de transmisión más eficiente, con sistemas elásticos para prevenir el giro del eje y rodamientos, de manera que minimizaron las pérdidas de energía por rozamiento y pudieron además hacer que las alas realizaran giros mucho más bruscos de lo habitual. Además, para aumentar la maniobrabilidad de su robot le añadieron una aleta en la cola, como hacen muchos pájaros.
Su diseño, en la figura siguiente, usa rodamientos para estabilizar el eje y Nylon como material elástico capaz no sólo minimizar los problemas de giro, sino también de almacenar parte de esa energía elástica y usarla en maniobras de vuelo.
De la figura 2.D del artículo citado.
Como se ve, el Nylon se emplea en el sistema que tiene que doblarse para transmitir parte del movimiento del motor a los ejes que soportan las alas, que a su vez son también elásticos. Este sistema les permite tener un motor más pequeño para generar el mismo empuje que uno más grande con hélice, un sistema más habitual.
Al tener una cola que se puede mover, cuando la cola está en posición que los autores denominan «neutra», resulta que el robot presenta estabilidad pasiva, sin necesidad de sistemas activos en varias situaciones de interés(1). Esencialmente, cuando se queda quieto en una posición y cuando planea. Además, al ajustar la posición de la cola se puede ajustar la actitud(2). En general, la estabilidad del robot cuando estaba quieto depende del efecto pendular, que se consigue colocando las alas que generan el empuje por encima del centro de gravedad, como los canarios. Sin embargo, este sistema no podía emplearse directamente en planeo, porque el centro de gravedad ya no está por encima de las alas. Para mantener la estabilidad en planeo, tuvieron que modificar tanto el sistema motor como la cola, haciendo esta última con una superficie similar a la de las alas, como la figura siguiente muestra.
Con este diseño, pudieron controlar el robot de una manera tan espectacular como la que muestra la figura de abajo, que resume todas la maniobras que puede realizar.
El artículo continúa explicando algún detalle más técnico, proporcionando algunas relaciones básicas para entender que gran parte de la maniobrabilidad demostrada se debe a su capacidad de cambiar rápidamente y sin un gran consumo de energía el coeficiente de rozamiento ofrecido, lo que le permite emplear el aerofrenado para moverse, a semejanza de varios pájaros. Posteriormente, comparan su sistema con otros sistemas de vuelo en términos de capacidad de proporcionar empuje respecto a la potencia eléctrica consumida(3), observando que su sistema presenta la mayor pendiente de todos, como indica la figura de abajo.
Termina el artículo con detalles muy técnicos sobre como puede maniobrar tan bien el robot, y examinando también parte de los métodos empleados en sus mediciones.
El artículo se publicó en la revista Science Robotics, volumen 5.
(1) La diferencia, en general, entre sistemas pasivos y activos está en que los sistemas activos precisan de algún tipo de reacción, y por lo tanto consumo de energía, tanto en el cálculo como la producción de esa reacción, mientras que los pasivos se regulan sin necesidad de intervención externa.
(2) La actitud del robot no tiene nada que ver con su comportamiento, sino con su orientación respecto al plano. Así, el ángulo de actitud del robot es el ángulo respecto al plano del suelo del mismo.
(3) Como usan motores que trabajan a voltajes constantes, esta potencia eléctrica es el producto directo del voltaje que consume el motor por la intensidad de corriente, VI, y así lo representan.