Los ingenieros del MIT han diseñado un planeador robótico que puede deslizarse por la superficie del agua, montando el viento como un albatros mientras también surfea las olas como un velero.

En regiones de viento fuerte, el robot está diseñado para mantenerse en el aire, al igual que su contraparte aviar. Donde 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 prestado de diseños náuticos y biológicos, puede cubrir una distancia dada usando un tercio del viento que un albatros y viajando 10 veces más rápido que un velero típico. El planeador también es relativamente ligero, pesa alrededor de 6 libras. Los investigadores esperan que en un futuro próximo, tan compacto, Se pueden desplegar veloces desnatadores de agua robóticos en equipos para inspeccionar grandes franjas del océano.

"Los océanos siguen estando muy poco supervisados, "dice Gabriel Bousquet, un ex postdoctorado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT, quien dirigió el diseño del robot como parte de su tesis de posgrado. "En particular, Es muy importante comprender el Océano Austral y cómo interactúa 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 de pequeña escala ".

Bousquet presentará detalles del sistema robótico esta semana en la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización de 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; y Michael Triantafyllou, el Profesor Henry L. y Grace Doherty de Ciencias e Ingeniería Oceánica.

La física de la velocidad

El año pasado, Bousquet, Tragamonedas y Triantafyllou publicó un estudio sobre la dinámica del vuelo de los albatros, en el que identificaron las mecánicas que permiten al viajero incansable cubrir grandes distancias con un gasto mínimo de energía. La clave de los viajes maratonianos de las aves es su capacidad para entrar y salir de las 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 desde arriba, capas de aire más rápidas, y al sumergirse transfiere ese impulso a bajar, capas más lentas, impulsándose sin tener que batir continuamente sus alas.

Curiosamente, Bousquet observó que la física del vuelo de los albatros es muy similar a la del viaje en velero. Tanto el albatros como el velero transfieren impulso para seguir avanzando. Pero en el caso del velero, que la transferencia no ocurre entre capas de aire, pero entre el aire y el agua.

"Los veleros toman impulso del viento con sus velas, e inyectarlo en el agua empujándolo hacia atrás con su quilla, "Así es como se extrae la energía de los veleros", explica Bousquet.

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, relacionados con la transferencia de impulso. Esencialmente, tanto el pájaro como el barco pueden viajar más rápido si pueden mantenerse en el aire fácilmente o interactuar con dos capas, o medianos, de muy distintas velocidades.

Al albatros le va bien con el primero, como sus alas proporcionan sustentación natural, aunque vuela entre capas de aire con una diferencia relativamente pequeña en las velocidades del viento. Mientras tanto, el velero sobresale en este último, viajar entre dos medios de velocidades muy diferentes, aire o agua, aunque su casco crea mucha fricción y le impide alcanzar mucha velocidad. Bousquet se preguntó:¿Qué pasaría si un vehículo pudiera diseñarse para funcionar bien en ambas métricas, casarse con las cualidades de alta velocidad tanto del albatros como del velero?

"Pensamos, ¿Cómo podemos sacar lo mejor de ambos mundos? ”, dice Bousquet.

En el agua

El equipo elaboró ​​un diseño para un vehículo híbrido de este tipo, que en última instancia se parecía a un planeador autónomo con una envergadura de 3 metros, similar al de un albatros típico. Agregaron un alto, vela triangular, así como un esbelto, quilla en forma de ala. Luego realizaron algunos modelos matemáticos para predecir cómo viajaría dicho diseño.

Según sus cálculos, el vehículo de propulsión eólica solo necesitaría vientos relativamente tranquilos de unos 5 nudos para atravesar las aguas a una velocidad de unos 20 nudos, o 23 millas por hora.

"Descubrimos que con vientos suaves puedes viajar entre tres y diez veces más rápido que un velero tradicional, y necesitas aproximadamente la mitad de viento que un albatros, llegar a 20 nudos, "Dice Bousquet." Es muy eficiente, y puedes viajar muy rápido, incluso si no hay mucho viento ".

El equipo construyó un prototipo de su diseño, usando una estructura de planeador diseñada por Mark Drela, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. Al fondo del planeador le agregaron una quilla, junto con varios instrumentos, como GPS, sensores de medición inercial, 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 sobre el agua, y que podemos hacer que el robot vuele sobre el agua, luego hasta donde la quilla puede ir debajo del agua para generar una fuerza, y el avión todavía puede volar, "Dice Bousquet.

Los investigadores decidieron probar esta "maniobra crítica", el acto de hacer la transición entre volar en el aire y bajar la quilla para navegar en el agua. Realizar este movimiento no requiere necesariamente una vela, por lo que Bousquet y sus colegas decidieron no incluir uno para simplificar los experimentos preliminares.

En el otoño de 2016, el equipo puso a prueba su diseño, lanzar el robot desde el MIT Sailing Pavilion hacia el río Charles. Como el robot carecía de vela y de cualquier mecanismo para ponerlo en marcha, el equipo lo colgó de una caña de pescar unida a un bote ballenero. Con esta configuración, el bote remolcó al robot a lo largo del río hasta que alcanzó unas 20 millas por hora, momento en el que el robot "despegó de forma autónoma, "montando el viento por su cuenta.

Una vez que estaba volando de forma autónoma, Bousquet usó un control remoto para darle al robot un comando de "abajo", lo que lo llevó a sumergirse lo suficientemente bajo como para sumergir su quilla en el río. Próximo, ajustó la dirección de la quilla, y observó que el robot pudo alejarse del barco como se esperaba. Luego le dio una orden al robot para que 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 él dice, demostrar que el dispositivo conceptual del equipo puede viajar con éxito, impulsado por el viento y el agua. Finalmente, él prevé flotas de tales vehículos de manera autónoma y eficiente monitoreando 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 drásticamente los tipos de regiones a las que puede ir".