Nuestro robot está inspirado en la medusa común de la luna. Willyam Bradberry / Shutterstock
Algunas de las últimas áreas de naturaleza virgen y virgen de la Tierra existen bajo los mares. Sin embargo, estos ecosistemas marinos están amenazados por proyectos de minería en aguas profundas, plataformas petrolíferas y parques eólicos marinos. Cuando estas instalaciones se construyen y mantienen, tienden a dañar las ricas redes ecológicas que las rodean.
Roboticistas e ingenieros están trabajando para abordar este problema, buscando nuevas formas de crear máquinas que puedan ayudar a reparar, mantener o inspeccionar los componentes submarinos de la creciente industria offshore. Dirigido por sus colegas Thierry Bujard y Gabriel Weymouth de la Universidad de Southampton, mi equipo ha encontré una solución a este problema, diseñando robots submarinos inspirados en los nadadores más inteligentes de la naturaleza: las medusas lunares ultraeficientes.
Los robots acuáticos tradicionales están diseñados para dos propósitos principales: para eficientes, navegación de larga distancia en tramos abiertos de agua y para tareas que requieran una gran maniobrabilidad cerca de estructuras sumergidas. Ambos tipos de robot son efectivos, pero pocos robots combinan un desplazamiento eficiente con una alta maniobrabilidad. Eso significa que la mayoría de los robots acuáticos son demasiado torpes y torpes para apoyar a la industria en alta mar sin dañar también el medio ambiente submarino.
De hecho, con la expansión de los desarrollos en alta mar a entornos cada vez más frágiles, incluso los robots marinos de última generación están luchando por hacer frente a la complejidad de sus misiones. Actualmente se está investigando mucho sobre el desarrollo de robots autónomos de aguas profundas, con iniciativas como xpremio ofreciendo financiación para algunas de las ideas más interesantes.
Máquinas marinas
Para responder a estos desafíos, los ingenieros han recurrido a la biología para inspirar nuevas formas de propulsión submarina robótica. Después de millones de años de evolución, según la lógica, las criaturas acuáticas deberían ofrecer modelos para ayudar a abordar las debilidades de la actual cosecha de robots submarinos.
El modo de nadar de los peces, basado en el aleteo de sus diferentes aletas, se ha convertido en la principal fuente de inspiración para aquellos experimentando con nuevos vehículos submarinos. Pero el modo de natación de chorro de pulso favorecido por las medusas es ampliamente considerado como el mecanismo de propulsión submarina más eficiente del mundo, y ofrece una solución tecnológica más convincente que es mucho más fácil de imitar para los roboticistas.
El chorro de pulsos se basa en la expansión y contracción cíclicas de una cavidad hueca del cuerpo de la muestra. Este sistema impulsa la ingestión y expulsión de agua, que en última instancia proporciona a las medusas una forma de propulsión.
A pesar de su simplicidad, esta estrategia de natación puede resultar en una agilidad increíble además de ser altamente eficiente en energía. El calamar más rápido puede viajar hasta 8 metros por segundo utilizando un sistema de chorro de pulso, mientras que las medusas Aurelia Aurita (también conocida como la medusa de la luna) es conocida por ser el nadador más eficiente del planeta.
Al copiar estos organismos cuando construimos robots submarinos, podemos diseñar nuevos vehículos submarinos capaces de combinar una alta maniobrabilidad con una eficiencia inigualable. En nuestro la investigación reciente, desarrollamos un nuevo robot bioinspirado que puede igualar la eficiencia de propulsión del Aurelia Aurita. Para hacer esto, imitamos el principio clave que permite a las medusas alcanzar su alta eficiencia propulsora: la resonancia.
La Aurelia aurita o medusa lunar es considerada la nadadora más eficiente de la Tierra. Richard A. McMillin / Shutterstock
Robótica resonante
La resonancia es un fenómeno físico que se encuentra comúnmente en muchas actividades cotidianas, como caminar, jugar en un columpio y incluso cantando. Si observamos un péndulo oscilante, por ejemplo, sabemos por experiencia que seguirá oscilando hasta que se detenga, colgando en una posición vertical determinada por la gravedad. La frecuencia con la que oscila el péndulo se conoce como su "frecuencia natural".
Por experiencia, también sabemos que si queremos mantener el péndulo oscilando, la forma más fácil de hacerlo es dándole un empujón útil cada vez que alcance el punto más alto de su oscilación, tal como lo hacemos cuando empujamos a un niño más alto. en un columpio. Cuando hacemos esto, estamos permitiendo que el péndulo o oscilación “resuene”.
Entonces, la resonancia ocurre cuando una fuerza externa afecta a un sistema en su frecuencia natural, lo que hace que el sistema logre oscilaciones de mayor amplitud a una fracción de la fuerza necesaria. Eso es lo que hace que operar en resonancia sea tan eficiente. Aplicamos el mismo principio a la propulsión de nuestro robot inspirado en medusas.
Planteamos la hipótesis de que al diseñar un robot medusa con un sistema de propulsión elástico, podríamos aprovechar la frecuencia natural inherente de ese elástico para hacer resonar el mecanismo. En resonancia, nuestro robot emitiría potentes chorros pulsados a una fracción del coste energético.
El robot que desarrollamos tiene una cámara interior elástica, que se expande y colapsa bajo el efecto de un mecanismo similar a un paraguas. Cuando se probó en un tanque de agua, se descubrió que el robot aumentaba su velocidad de natación a medida que la velocidad a la que pulsaba se acercaba a la frecuencia natural de la cámara elástica de la medusa robot. Demostró que nuestra medusa robot había logrado resonancia.
La eficiencia de un sistema que se propulsa, sea mecánico o biológico, se basa en una ecuación que combina la potencia absorbida, la velocidad del sistema y su masa. Cuando se aplica a nuestro robot, esa ecuación pone a nuestra medusa robot a la par con la Aurelia Aurita Medusa.
Este es un resultado sorprendente con un doble impacto. Por un lado, muestra por primera vez que un sistema mecánico puede lograr la eficiencia propulsora de los mejores nadadores de la naturaleza. Por otro lado, nuestro robot ha explicado la excelente natación de sus contrapartes biológicas, lo que ahora puede ayudar a los biólogos a volver al estudio de las medusas y los calamares con una perspectiva completamente nueva.
Impulsado por un sistema inspirado en los nadadores de la naturaleza más eficientes, nuestro robot medusa proporciona un prototipo de robot submarino dinámico y eficiente, que la industria de parques eólicos marinos podría usar algún día para mantener las partes de su infraestructura que se encuentran debajo de las olas.
Acerca de los autores
Francesco Giorgio-Serchi, miembro del canciller en robótica y sistemas autónomos, Universidad de Edimburgo
Este artículo se actualizó el 24 de febrero de 2021 para acreditar al equipo de la Universidad de Southampton que también trabajó en esta investigación.
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.
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