Insectos robóticos, como el Entomóptero desarrollado en el Instituto de Tecnología de Georgia, podría darnos una mirada sin precedentes a nuestro mundo. Foto cortesía de GTRI / Stanley Leary Nuestro país está en guerra en un territorio desconocido, y una batalla está a punto de comenzar. Las tropas terrestres enemigas se están posicionando para atacar a nuestro ejército, ubicado a solo 2 millas (3,2 km) de distancia. Sin embargo, el enemigo no sabe que todos sus movimientos están siendo monitoreados por insectos robóticos equipados con cámaras diminutas, volando por encima. Estos diminutos volantes robóticos llamado micro vehículos aéreos (MAV), podrá sobrevolar el territorio enemigo casi sin que las tropas enemigas lo noten. Pocos incluso mirarían dos veces a estos robots voladores del tamaño de una moneda de diez centavos.
El Departamento de Defensa de EE. UU. Está gastando millones de dólares para desarrollar estos MAV. Son la forma perfecta de mantener a los soldados fuera de peligro durante las misiones de reconocimiento. Hoy dia, La recopilación de reconocimiento durante la batalla generalmente implica poner en peligro pequeños equipos de soldados o grandes aviones. Al mismo tiempo, Las imágenes de satélite no son accesibles inmediatamente por un soldado de tierra.
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) está financiando a varios equipos de investigación para desarrollar MAV de no más de 6 pulgadas (15 cm) de longitud, anchura y altura. Estos diminutos aviones serán un orden de magnitud más pequeños que cualquier vehículo aéreo no tripulado (UAV) desarrollado hasta la fecha. Se está diseñando una clase de estos MAV para imitar los movimientos de vuelo de ciertos insectos, incluyendo moscas, abejas y libélulas. En este articulo, nos centraremos en estos MAV similares a errores. Aprenderás como vuelan las moscas, cómo se pueden construir máquinas para imitar sus movimientos y dónde se desplegarán estos diminutos dispositivos aéreos.
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Un modelo de un insecto volador micromecánico sentado en la palma de la mano de un investigador de Berkeley Foto cortesía de Jason Spingarn-Koff Las moscas tienen mucho que enseñarnos sobre la aviación que no se puede aprender estudiando los aviones de ala fija. Durante años, se sabía poco sobre la mecánica del vuelo de los insectos, sin embargo, son el grupo de aviadores más antiguo del mundo, aveces llamado aviones de combate de la naturaleza . Es posible que haya escuchado sobre cómo los abejorros no pueden volar de acuerdo con la aerodinámica convencional. Eso es porque los principios detrás del vuelo de los insectos son muy diferentes de los que se encuentran detrás del vuelo de un avión de ala fija.
"Los ingenieros dicen que pueden demostrar que un abejorro no puede volar, " dijo Michael Dickinson , biólogo de la Universidad de California, Berkeley. "Y si aplicas la teoría de los aviones de ala fija a los insectos, calculas que no pueden volar. Tienes que usar algo diferente ".
Dickinson es parte del Proyecto de Insectos Voladores Micromecánicos (MFI), que está desarrollando pequeños robots voladores utilizando los principios de vuelo de los insectos. El proyecto está en cooperación con DARPA. El Proyecto MFI propone un insecto robótico que mide entre 10 y 25 milímetros (0,39 a 0,98 pulgadas) de ancho, que es mucho más pequeño que el límite de tamaño de DARPA de 6 pulgadas (15 cm), y usará alas para volar. El objetivo del proyecto es recrear el vuelo de un moscardón.
Si lees el artículo Cómo funcionan los aviones, usted sabe que los aviones generan sustentación debido a que el aire viaja más rápido sobre la parte superior del ala que a lo largo de la parte inferior del ala. Se llama aerodinámica de estado estable . El mismo principio no se puede aplicar a moscas o abejas, porque sus alas están en constante movimiento.
"A diferencia de los aviones de ala fija con su Dinámica de flujo casi invisible (sin viscosidad), los insectos vuelan en un mar de vórtices, rodeado de diminutos remolinos y torbellinos que se crean cuando mueven sus alas, " dijo Z. Jane Wang , físico de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Cornell. Un remolino es un remolino de aire creado por el ala, y el aire en el remolino fluye en la dirección opuesta a la corriente principal de aire.
Los vórtices creados por las alas de los insectos mantienen a los insectos en el aire. El grupo de Dickinson describe estos tres principios para explicar cómo los insectos se elevan y permanecen en el aire:
"Sería realmente genial si pudiéramos explotar estos mecanismos, también, construyendo un robot insecto. Pero no puede construirlos ahora basándose en principios conocidos; tiene que repensar fundamentalmente el problema, "Dijo Dickinson. En la siguiente sección, aprenderá cómo los investigadores están tomando estos principios y aplicándolos a la creación de insectos voladores robóticos.
Hay al menos dos proyectos MAV financiados por DARPA que se han inspirado en los principios del vuelo de los insectos. Mientras Michael Dickinson está creando el insecto volador micromecánico en Berkeley, Robert Michelson , un ingeniero de investigación en el Instituto de Tecnología de Georgia, está trabajando en el Entomóptero . Echemos un vistazo más de cerca a ambos proyectos.
En julio de 2000, la Oficina de Patentes de los Estados Unidos otorgó una patente a Georgia Tech Research Corporation por la invención del Entomóptero de Michelson, también llamado insecto electromecánico multimodal . El Entomopter está diseñado para posibles operaciones en interiores, según la patente de EE. UU. número 6, 082, 671. Imitará la lucha de un insecto batiendo sus alas para generar sustentación. Además, Los investigadores están estudiando formas para que el Entomóptero navegue por los pasillos y los sistemas de ventilación y se arrastre por debajo de las puertas.
Veamos las partes básicas del Entomóptero:
El Entomóptero funciona con una reacción química. Se inyecta un monopropulsor en el cuerpo, provocando una reacción química que libera un gas. La presión de gas que se acumula empuja un pistón en el fuselaje. Este pistón está conectado a las alas acopladas de forma pivotante, haciendo que se muevan rápidamente. Parte del gas se escapa a través de las rejillas de ventilación del ala y se puede usar para cambiar la elevación en cualquiera de las alas para que el vehículo pueda girar. En la actualidad, el Entomóptero tiene una envergadura de 10 pulgadas (25 cm). "El siguiente paso es reducir el dispositivo RCM al tamaño del error, "dijo Michelson.
En un vehículo del tamaño de una mosca doméstica, cada parte debe realizar múltiples tareas. Por ejemplo, una antena de radio unida a la parte trasera del vehículo también puede actuar como estabilizador para la navegación. Las piernas podrían almacenar combustible para ajustar el peso y el equilibrio del vehículo durante el vuelo.
El concepto de un artista del insecto volador micromecánico completo que se está desarrollando en Berkeley. Foto cortesía de R.Fearing / UC-Berkeley El gobierno de EE. UU. También ha invertido 2,5 millones de dólares en el proyecto de Berkeley para desarrollar un insecto robótico del tamaño de una mosca común. El primer paso importante para conseguir este insecto volador micromecánico (MFI) en el aire fue el desarrollo de Robofly , que brindó a los investigadores información importante sobre los mecanismos del vuelo de los insectos.
Para construir la IMF, los investigadores realizaron experimentos para aprender cómo vuelan las moscas. Uno de los experimentos involucró la construcción de un par de alas robóticas de 10 pulgadas (25 cm), llamado Robofly , que estaba hecho de plexiglás y modelado a partir de las alas de una mosca de la fruta. Las alas se sumergieron en un tanque de aceite mineral, que los obliga a reaccionar como más pequeños, Alas de mosca de la fruta de un milímetro de largo que se agitan rápidamente en el aire. Seis motores, tres en cada ala, movían las alas hacia adelante y hacia atrás, hacia arriba y hacia abajo y en un movimiento giratorio. Se colocaron sensores para medir la fuerza de las alas.
Finalmente, el Robofly se reducirá a una mosca microrobótica de acero inoxidable que tiene de 10 a 25 milímetros (0,4 a 1 pulgada) de ancho y pesa aproximadamente 43 miligramos (0,002 onzas). Las alas estarán hechas de una fina película de Mylar. La energía solar funcionará piezoeléctrico actuador que empujará las alas para batir. El tórax del robot transformará las desviaciones del actuador piezoeléctrico en la gran carrera del ala y la rotación necesaria para lograr el vuelo.
Aunque el robot aún no vuela, Se ha informado que aproximadamente el 90% de la fuerza requerida para el levantamiento se ha logrado experimentalmente con un estructura de dos alas. El siguiente paso será agregar una unidad de control de vuelo y una unidad de comunicación para control remoto. Los investigadores dicen que están trabajando para permitir un vuelo estacionario controlado mediante sensores ópticos y un giroscopio a bordo.
El concepto artístico de un equipo de entomópteros explorando Marte Foto cortesía de Robert Michelson Teniendo en cuenta la cantidad de dinero que el ejército de los EE. UU. Está inyectando en proyectos MAV (microvehículo aéreo), es probable que el primer uso de estos insectos robóticos sea como moscas espías. DARPA imagina una mosca espía que podría usarse para misiones de reconocimiento y estar controlada por soldados en tierra. Este pequeño vehículo volador no solo transmitiría imágenes de movimientos de tropas, pero también podría usarse para detectar biológicos, armas químicas o nucleares. Adicionalmente, el insecto robótico podría aterrizar en un vehículo enemigo y colocarle una etiqueta electrónica para que pudiera ser más fácil de atacar.
En un informe de 1997 de DARPA sobre el desarrollo de MAV, los autores escribieron que los avances en microtecnologías, incluso sistemas micro electromecánicos (MEMS), pronto convertiría a las moscas espía en una idea factible. Señaló que los microsistemas como las cámaras de matriz CCD, Los diminutos sensores infrarrojos y los detectores de sustancias peligrosas del tamaño de un chip se están haciendo lo suficientemente pequeños para integrarse en la arquitectura de una mosca espía.
A los militares les gustaría un MAV que tenga un alcance de aproximadamente 6,2 millas (10 km), vuela de día o de noche y puede permanecer en el aire durante aproximadamente una hora. Los funcionarios de DARPA dicen que la velocidad ideal para un MAV es de 35,4 a 72,4 kph (22 a 45 mph). Sería controlado desde una estación terrestre, que emplearía antenas direccionales y mantendría contacto continuo con el MAV.
Las moscas robóticas también podrían ser adecuadas como una nueva generación de exploradores interplanetarios. El Instituto de Investigación de Tecnología de Georgia (GTRI) ha recibido fondos del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC) para estudiar la idea utilizando el Entomóptero como un topógrafo volador de Marte. En marzo de 2001, La NASA financió la segunda fase del estudio en previsión de futuras micromisiones de Marte.
Los entomópteros ofrecen varias ventajas sobre los topógrafos más grandes. Podrían aterrizar despegar, flotar y realizar maniobras más difíciles en vuelo. Su capacidad para gatear y volar también les da una ventaja para explorar otros planetas. Más probable, La NASA enviaría decenas de estos vehículos de vigilancia para explorar otros planetas. El desarrollador de entomópteros Rob Michelson dijo que la versión de Marte del entomóptero tendría que ser dimensionada para tener una envergadura de aproximadamente 1 metro para volar en la delgada atmósfera de Marte.
Los investigadores dicen que estos pequeños robots voladores también serían valiosos después de los desastres naturales, como terremotos, tornados o deslizamientos de tierra. Su pequeño tamaño y su capacidad para volar y planear los hacen útiles para buscar personas enterradas entre los escombros. Podrían volar entre grietas que los humanos y las máquinas más grandes no pueden navegar. Otros usos incluyen monitoreo de tráfico, vigilancia de fronteras, encuestas de vida silvestre, inspección de líneas eléctricas y fotografía aérea inmobiliaria.
Las moscas espías son otro ejemplo de cómo la tecnología está ayudando a los humanos a realizar tareas peligrosas. permitiendo que los humanos se mantengan fuera de peligro. Reconocimiento militar, buscar víctimas del terremoto y viajar a otros mundos son actividades peligrosas:volar microrobots nos permitiría realizar estas tareas sin estar realmente allí.
