- Los científicos del laboratorio de Investigación y Diseño Bioinspirados de Stanford (BIRD) descubrieron cómo las palomas pueden transformar la forma de sus alas durante el vuelo.
- De esos hallazgos surgió “PigeonBot”, un dron con plumas de cadáveres de palomas reales para crear lo que ahora se considera el robot con forma de pájaro más avanzado jamás creado.
- La semana pasada se publicó una nueva investigación sobre el PigeonBot en Ciencia Robótica.
Durante siglos, los humanos han estado obsesionados con volar. Los ingenieros aeroespaciales han entendido durante mucho tiempo que las aves pueden transformar la forma de sus alas para adaptarse a varios patrones de vuelo, como el despegue, el aterrizaje y el giro, pero transformar esa obra maestra de la evolución en algo mecánico no es fácil.
Pero eso es lo que intentan hacer los científicos del laboratorio de Investigación y Diseño Bioinspirados (BIRD) de la Universidad de Stanford. David Lentink, biólogo capacitado e ingeniero aeroespacial, lidera el proyecto y dice que desbloquear esta habilidad clave en las aves dará forma al futuro del diseño de drones tal como lo conocemos.
El equipo de Lentink recurrió a la humilde paloma para descubrir estos secretos del vuelo aviar. “[They’re] volantes poco apreciados “, dijo Lentink Mecánica Popular.
En un informe publicado en Ciencia RobóticaLentink y su equipo descubrió que Las palomas, al igual que la mayoría de las otras aves voladoras, no usan músculos individuales para controlar cada una de sus plumas, sino que las mueven sincronizadas, en grupos, con la ayuda de un ligamento especial.
“Lo que descubrimos es que, en lugar de que un pájaro mueva todas y cada una de las plumas, controladas por un músculo, combinan el movimiento de las plumas”, dice. “Es realmente elegante”.
Sabiendo esto, los científicos construyeron un pájaro robótico, llamado PigeonBot, para exhibir esta propiedad de las alas de los pájaros. Un día, los aviones pequeños como los drones podrían aprovechar este diseño natural.
Construyendo el pájaro
Laboratorio Lentink / Universidad de Stanford
A partir de 2014, Lentink y su laboratorio comenzaron a estudiar biología de las palomas para comprender cómo sus alas podían cambiar de forma tan fácilmente. El equipo observó cadáveres de palomas reales y se dio cuenta de que al mover las muñecas y los dedos de un pájaro, las plumas caerían automáticamente en su lugar. “Esas 25 plumas, su posición en el ala simplemente depende del ángulo de sus muñecas”, dice Lentink. Cada una de las plumas está conectada por un ligamento elástico para proporcionar conectividad.
En total, el equipo del laboratorio BIRD de Stanford descubrió que 20 plumas primarias y 20 secundarias en palomas están controladas por movimientos de muñeca y dedos, lo que demuestra la importancia de los dígitos de las aves en la dirección. Descubrir cómo las aves podían transformar su forma con tanta facilidad ya era bastante difícil, pero replicar ese movimiento en un robot era otra cuestión.
El prototipo PigeonBot se llama robot aéreo biohíbrido porque fusiona elementos biológicos y artificiales. Para armar el prototipo de trabajo, los investigadores usaron plumas reales de cadáveres de palomas, pero también cosas que probablemente verías en otros robots.
Laboratorio Lentink / Universidad de Stanford
El cuerpo de PigeonBot está formado por una sola pieza de espuma de espuma cortada con láser que fue doblada y pegada. Incluye un sistema de propulsión eléctrica impulsado por hélice para elevarlo en el aire, así como una gran colección de sensores, como GPS, barómetros, giroscopios, magnetómetros, radios, acelerómetros de tres ejes y un sistema de piloto automático. La cola también se empaca en un elevador para control longitudinal y un timón para control lateral.
Pero las alas son donde realmente se pone interesante. Lentink dice que el equipo construyó un “dedo” y una “muñeca” para el pájaro robo y usó bandas elásticas de ortodoncia para imitar los ligamentos en las alas de las palomas. En conjunto, estos pasos representan la versión de PigeonBot de alas que cambian de forma en el cielo, todo basado en la biología de las palomas.
El robot incorpora 42 grados de libertad, lo que significa que puede moverse de 42 formas independientes, y PigeonBot puede controlar la posición de 40 plumas conectadas elásticamente a través de cuatro servomotores.
Velcro propio de la naturaleza
Lentink y su equipo también hicieron un descubrimiento accidental mientras estudiaban plumas de paloma. A medida que las aves extienden sus alas, alargando el hueso en línea recta, existe el riesgo de que, a medida que las plumas se deslizan, se estiren demasiado, dejando un espacio que es menos aerodinámico. Sin embargo, increíblemente, las características de las palomas incluyen un sistema de gancho de seguridad para mantenerse en su lugar.
Laura Matloff, una de las coautoras de este segundo artículo publicado en Ciencias, quería entender cómo las alas de paloma usaban la fricción. Según la investigación de la década de 1960, dice Lentink, había una comprensión previa de que las aves tenían microestructuras en forma de gancho en sus plumas que creaban fricción. Eso no cuadró porque esto retrasaría a las aves.
El equipo de Lentink notó que cuando una pluma se deslizaba sobre una pluma directamente debajo de ella, las dos se unían como Velcro. Una vez que las plumas comenzaron a deslizarse demasiado, las microestructuras diminutas que sobresalen como ganchos en la parte superior de una pluma se encuentran con un conjunto de crestas en la parte inferior de la otra pluma, bloqueándolas en su lugar.
Es casi imposible ver estas pequeñas estructuras, incluso bajo un microscopio. Cuando se graba (en el video de arriba) con el sonido amplificado, las plumas emiten un sonido similar al Velcro. “Eso es un milagro de la evolución”, dice Lentink.
Esta misma propiedad se encuentra en aves de todos los tamaños, dice, incluido el Cóndor de California, que crece para tener la envergadura más grande de cualquier ave de América del Norte, a casi 10 pies. La excepción está en los volantes silenciosos, como las lechuzas, cuyas plumas han evolucionado para producir sonidos que son 40 decibeles más silenciosos que los de las palomas.
Aviones como palomas
Laboratorio Lentink / Universidad de Stanford
PigeonBot es el robot con forma de pájaro más avanzado que se haya construido, pero su creación podría tener impactos de gran alcance en el diseño de futuros aviones.
Los aviones y aviones militares de hoy en día ya pueden cambiar de forma como alas de paloma. Durante el despegue y el aterrizaje en aviones de pasajeros, los pilotos pueden extender un conjunto de aletas en las alas para crear más elevación. En los aviones de acrobacias, los pilotos pueden crear un “giro rápido” o un giro horizontal de 360 grados, paralizando un ala del avión.
Aún así, no es tan fácil tomar prestado del mundo de impresionantes voladores como la paloma. Usar una serie de aletas, motores y sensores para recrear la anatomía de las plumas deslizantes de un pájaro en un ala podría ser peligroso, ya que muchos podrían salir mal. Si falla un motor o un sensor, el resto sigue.
Los ingenieros aeroespaciales han envidiado a las aves durante mucho tiempo por su capacidad de cambiar de forma en el aire, aunque nunca entendieron cómo se hizo. Ahora que tenemos esa pieza del rompecabezas, estamos un paso más cerca de ver una ingeniería de aviación verdaderamente similar a un pájaro. Pero aún puede llevar un tiempo, la naturaleza tiene una ventaja considerable.
“La naturaleza nos ha engañado bastante a los ingenieros aeroespaciales”, dice. “Hace 100 años comenzamos a volar, y las aves comenzaron a evolucionar hace más de 100 millones de años”.
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