Los ingenieros del MIT han diseñado un planeador robótico que puede deslizarse a lo largo de la superficie del agua, manejando el viento como un albatros y surfeando las olas como un velero.
En regiones de vientos fuertes, el robot está diseñado para permanecer en el aire, al igual que su contraparte aviar. Cuando hay vientos más tranquilos, el robot puede sumergir una quilla en el agua para navegar como un velero altamente eficiente.
El sistema robótico, que toma prestados diseños náuticos y biológicos, puede cubrir una distancia dada usando un tercio de viento como un albatros y viajando 10 veces más rápido que un velero típico. El planeador también es relativamente liviano, pesa alrededor de 6libras. Los investigadores esperan que en el futuro cercano, estos desnatadores de agua robóticos compactos y rápidos puedan desplegarse en equipos para examinar grandes franjas del océano.
"Los océanos permanecen muy poco supervisados", dice Gabriel Bousquet, un ex postdoc en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT, que dirigió el diseño del robot como parte de su tesis de posgrado. "En particular, es muy importante entender el SurOcéano y cómo está interactuando con el cambio climático. Pero es muy difícil llegar allí. Ahora podemos usar la energía del medio ambiente de una manera eficiente para hacer este viaje de larga distancia, con un sistema que sigue siendo a pequeña escala ".
Bousquet presentará detalles del sistema robótico esta semana en la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización del IEEE, en Brisbane, Australia. Sus colaboradores en el proyecto son Jean-Jacques Slotine, profesor de ingeniería mecánica y ciencias de la información y de ciencias del cerebro; yMichael Triantafyllou, el profesor Henry L. y Grace Doherty en Ciencias del Océano e Ingeniería.
La física de la velocidad
El año pasado, Bousquet, Slotine y Triantafyllou publicaron un estudio sobre la dinámica del vuelo del albatros, en el que identificaron la mecánica que permite al incansable viajero cubrir grandes distancias mientras gasta una energía mínima. La clave para los viajes maratónicos del pájaro es sucapacidad de entrar y salir de capas de aire de alta y baja velocidad.
Específicamente, los investigadores encontraron que el ave es capaz de realizar un proceso mecánico llamado "transferencia de impulso", en el que toma impulso de capas de aire más altas y rápidas, y al sumergirse transfiere ese impulso a capas más bajas y lentas,propulsándose sin tener que batir continuamente sus alas.
Curiosamente, Bousquet observó que la física del vuelo del albatros es muy similar a la del viaje en velero. Tanto el albatros como el velero transfieren el impulso para mantenerse en movimiento. Pero en el caso del velero, esa transferencia ocurre no entre capas deaire, pero entre el aire y el agua.
"Los veleros toman impulso del viento con su vela, y lo inyectan en el agua empujando hacia atrás con la quilla", explica Bousquet. "Así es como se extrae la energía para los veleros".
Bousquet también se dio cuenta de que la velocidad a la que pueden viajar tanto un albatros como un velero depende de la misma ecuación general, relacionada con la transferencia de impulso. Esencialmente, tanto el pájaro como el barco pueden viajar más rápido si pueden mantenerse en el aire fácilmenteo interactuar con dos capas, o medios, de velocidades muy diferentes.
El albatros funciona bien con el primero, ya que sus alas proporcionan elevación natural, aunque vuela entre las capas de aire con una diferencia relativamente pequeña en la velocidad del viento. Mientras tanto, el velero sobresale en el segundo, viajando entre dos medios de velocidades muy diferentes.aire contra agua, aunque su casco crea mucha fricción y evita que gane mucha velocidad. Bousquet se preguntó: ¿Qué pasaría si un vehículo pudiera diseñarse para funcionar bien en ambas métricas, uniendo las cualidades de alta velocidad tanto del albatros como del¿velero?
"Pensamos, ¿cómo podríamos sacar lo mejor de ambos mundos?", Dice Bousquet.
Fuera en el agua
El equipo redactó un diseño para un vehículo híbrido de este tipo, que finalmente se parecía a un planeador autónomo con una envergadura de 3 metros, similar al de un albatros típico. Agregaron una vela alta y triangular, así como un ala delgada y delgadacomo quilla. Luego realizaron algunos modelos matemáticos para predecir cómo viajaría tal diseño.
Según sus cálculos, el vehículo propulsado por el viento solo necesitaría vientos relativamente tranquilos de aproximadamente 5 nudos para cruzar las aguas a una velocidad de aproximadamente 20 nudos, o 23 millas por hora.
"Descubrimos que con vientos ligeros puede viajar entre tres y 10 veces más rápido que un velero tradicional, y necesita aproximadamente la mitad de viento que un albatros para alcanzar los 20 nudos", dice Bousquet. "Es muy eficiente ypuedes viajar muy rápido, incluso si no hay mucho viento "
El equipo construyó un prototipo de su diseño, utilizando una célula de planeador diseñada por Mark Drela, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. Al fondo del planeador agregaron una quilla, junto con varios instrumentos, como GPS, medición de inerciasensores, instrumentación de piloto automático y ultrasonido, para rastrear la altura del planeador sobre el agua.
"El objetivo aquí era mostrar que podemos controlar con mucha precisión qué tan alto estamos por encima del agua, y que podemos hacer que el robot vuele por encima del agua, luego hacia donde la quilla puede ir debajo del agua para generar una fuerza,y el avión aún puede volar ", dice Bousquet.
Los investigadores decidieron probar esta "maniobra crítica", el acto de hacer la transición entre volar en el aire y sumergir la quilla para navegar en el agua. Lograr este movimiento no necesariamente requiere una vela, por lo que Bousquet y sus colegasdecidió no incluir uno para simplificar los experimentos preliminares.
En el otoño de 2016, el equipo puso a prueba su diseño, lanzando el robot desde el Pabellón de Vela del MIT hacia el río Charles. Como el robot carecía de una vela y de cualquier mecanismo para arrancarlo, el equipo lo colgóuna caña de pescar unida a un bote ballenero. Con esta configuración, el bote remolcó al robot a lo largo del río hasta alcanzar aproximadamente 20 millas por hora, momento en el cual el robot "despegó" autónomamente, montando el viento por su cuenta.
Una vez que volaba de manera autónoma, Bousquet usó un control remoto para darle al robot un comando de "bajada", lo que provocó que se sumergiera lo suficiente como para sumergir su quilla en el río. Luego, ajustó la dirección de la quilla y observó queel robot pudo alejarse del bote como se esperaba. Luego le dio una orden para que el robot volviera a volar, levantando la quilla del agua.
"Estábamos volando muy cerca de la superficie, y había muy poco margen de error, todo tenía que estar en su lugar", dice Bousquet. "Así que fue muy estresante, pero muy emocionante".
Los experimentos, dice, prueban que el dispositivo conceptual del equipo puede viajar con éxito, impulsado por el viento y el agua. Eventualmente, imagina flotas de tales vehículos monitoreando de manera autónoma y eficiente grandes extensiones del océano.
"Imagina que pudieras volar como un albatros cuando hace mucho viento, y luego cuando no hay suficiente viento, la quilla te permite navegar como un velero", dice Bousquet. "Esto expande dramáticamente el tipo de regiones donde puedes ir."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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