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(noticias nanowerk) Los ingenieros han tratado durante mucho tiempo de desentrañar los secretos detrás de las asombrosas habilidades de vuelo y la agilidad de los insectos, con la esperanza de crear una nueva clase de pequeños pero poderosos robots voladores. Estos microvehículos aéreos de alas batientes (FWMAV) son prometedores para aplicaciones de búsqueda y rescate, reconocimiento y monitoreo ambiental donde el tamaño pequeño y la alta maniobrabilidad son de suma importancia. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos sostenidos, el desarrollo de FWMAV se ha visto significativamente obstaculizado por los desafíos a la hora de integrar las sofisticadas capacidades de aerodinámica, detección a bordo y potencia en un factor de forma ultracompacto.
Los diseños tradicionales de FWMAV se basan en una serie de cámaras y sensores voluminosos para apuntar y controlar el vuelo, lo que dificulta la miniaturización. Al mismo tiempo, el elevado consumo de energía del propulsor del ala limita el posible campo de aplicación.
Recientemente se publicó uno en Materiales funcionales avanzados (“Scarab Beetle-Inspired Embodied-Energy Membranous-Wing Robot with Flapping-Collision Piezo-Mechanoreception and Mobile Environmental Monitoring”) demuestra un ingenioso enfoque bioinspirado que supera estas limitaciones y puede allanar el camino para una nueva generación de FWMAV avanzados.
![Diseños biomiméticos de alas batientes y posibles aplicaciones.](https://www.nanowerk.com/news2/robotics/id64143_1.jpg)
«En el pasado, ha sido difícil lograr simultáneamente una buena aerodinámica, capacidades sensoriales y potencia en un avión muy pequeño con alas batientes», dijo el autor principal, el Dr. Zhimiao Yan, profesor de mecánica de la Universidad Jiao Tong de Shanghai. «Resolvimos este problema desarrollando alas piezoeléctricas que realizan múltiples tareas: recolectar energía para activar sensores a bordo mientras detectan directamente los movimientos y colisiones de las alas».
Este avance se basa en investigaciones recientes sobre materiales de alas inteligentes que utilizan acoplamiento electromecánico para extraer información sobre las deformaciones de las alas durante el vuelo. Sin embargo, las alas piezoeléctricas FWMAV anteriores carecían de una robustez crítica y utilizaban geometrías simplificadas que no se adaptaban bien a los requisitos aerodinámicos.
El grupo de Yan estudió la morfología, las venas y el movimiento de las alas traseras de los escarabajos para imitar el aleteo natural con geometrías auténticas. Su proceso de fabricación utiliza polímeros en capas precisas para recrear la flexibilidad y la anisotropía que permiten cambios rotacionales pasivos en las alas de los insectos. Esto les da a sus alas biónicas la generación de sustentación, el ajuste del ángulo de ataque y la resistencia a la flexión y al retorno en colisiones que poseen sus contrapartes naturales.
Las películas de sensores piezoeléctricos se caracterizan por una amplia división en los campos de la membrana del ala, lo que proporciona una red distribuida de receptores sin comprometer el rendimiento aerodinámico. Cabe destacar que las pruebas de elevación han demostrado que estas láminas tienen efectos insignificantes incluso con el cableado de lectura conectado. Las películas tienen un doble propósito: recolectar energía de impacto y al mismo tiempo transmitir señales de voltaje precisas que codifican los movimientos de las alas y las colisiones para obtener retroalimentación durante el vuelo.
«Nuestras alas pueden sentir su propia velocidad, deformación y colisiones, de manera similar a las cerdas y venas sensoriales naturales de los insectos», dijo el Dr. Yan. «Al integrar la detección directamente en los aleteos, en lugar de depender únicamente de cámaras y acelerómetros, podemos reducir significativamente el peso y la complejidad de la aeronave».
Esta sencilla simplicidad permitió una demostración exitosa en un vehículo real de alas batientes de 18,2 gramos. Las alas bioinspiradas permitieron vuelos sostenidos y maniobras acrobáticas de giro mientras recolectaban suficiente energía de su movimiento de aleteo para alimentar continuamente los sensores de luz y UV a bordo.
«Nuestras alas batientes funcionan también como colectores de energía y receptores de vuelo, lo que ilustra un concepto más amplio de ‘energía incorporada’ que creemos que revolucionará la robótica móvil del futuro», dijo el Dr. Yan. «Esto refleja una multifunción natural: por ejemplo, músculos que facilitan el movimiento y al mismo tiempo contienen nervios sensoriales».
Este estudio fundamental establece que las alas de sensores piezoeléctricos membranosos son una tecnología innovadora que puede superar obstáculos importantes en el desarrollo de FWMAV. Queda trabajo para mejorar aún más la consistencia y la robustez de la fabricación para una vida operativa más larga. No obstante, estas alas inteligentes son el presagio de FWMAV integrados y empáticos que superan los umbrales de rendimiento anteriores.
«Creemos que estos avances bioinspirados representan un punto de inflexión, ya que acercan a la realidad el objetivo de larga data de contar con aviones ágiles y totalmente autónomos a escala de insectos», concluyó el Dr. Yan. “Nuestras alas con sensores piezoeléctricos inteligentes proporcionan una columna faltante para permitir el control de vuelo autónomo. Esto tiene profundas implicaciones para permitir el muestreo ambiental robótico, las operaciones de búsqueda y rescate y la detección remota a escalas muy pequeñas”.
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