Ingenieros de Stanford crean un dron con «patas de pájaro» que puede posarse en ramas y transportar objetos
En el mundo no existen dos ramas iguales. Pueden diferir en tamaño, forma y textura, algunas pueden estar mojadas, cubiertas de musgo o brotes. Y aun así, los pájaros pueden posarse prácticamente en cualquiera de ellas.
Esta capacidad despertó un gran interés en los laboratorios de los ingenieros de la Universidad de Stanford Mark Cutkosky y David Lentink, que ahora trabajan en la Universidad de Groninga, en los Países Bajos. Ambos ya habían desarrollado tecnologías inspiradas en las capacidades de los animales.
«No es fácil imitar la forma en que los pájaros vuelan y se posan en superficies. Tras millones de años de evolución, hacen que el despegue y el aterrizaje sean tan ligeros, incluso a pesar de la complejidad y variedad de las ramas de los árboles que se encuentran en el bosque»
Años de investigación sobre robots inspirados en animales en el laboratorio de Cutkosky y robots aéreos inspirados en pájaros en el laboratorio de Lentink permitieron a los investigadores crear su propio dron con forma de pájaro, descrito en detalle en un artículo de la revista Science Robotics. Cuando las «patas» se fijan a un cuadricóptero, su «agarre aéreo estereotipado», o SNAG, forma un robot que puede volar, atrapar y transportar objetos y posarse en diversas superficies.
Al demostrar la posible versatilidad de este trabajo, los investigadores lo usaron para comparar distintos tipos de disposición de los dedos en las patas de las aves y para medir el microclima en los remotos bosques del estado de Oregón.
En estudios previos con loros, pequeñas aves volaban de ida y vuelta entre perchas especiales, mientras cinco cámaras de alta velocidad las registraban. En las varas, que representaban distintos tamaños y materiales, incluidos madera, espuma, papel de lija y teflón, también había sensores que captaban las fuerzas físicas asociadas al aterrizaje, al posado y al despegue de las aves.
«Lo que nos sorprendió fue que realizaban las mismas maniobras aéreas, independientemente de la superficie en la que aterrizaban. Permiten que las patas se adapten a la variabilidad y la complejidad de la propia textura de la superficie»
Este comportamiento estereotipado, observado al aterrizar en cada ave, es la razón por la que la letra S en SNAG significa «estereotipado». Al igual que con los loros, SNAG aborda cada superficie de la misma manera. Pero, para tener en cuenta el tamaño del cuadricóptero, SNAG se basa en las patas de un halcón peregrino (ave rapaz de la familia de los falcónidos). En lugar de huesos, tiene una estructura impresa en 3D, cuyo perfeccionamiento requirió 20 intentos, además de motores y hilo de pesca que reemplazan a los músculos y tendones.
Cada pata tiene su propio motor para el movimiento hacia delante y hacia atrás, y otro para el agarre. Inspirado en cómo los tendones de las aves pasan alrededor del tobillo, un mecanismo similar en la pata del robot absorbe la energía del impacto al aterrizar y la convierte pasivamente en fuerza de agarre. Como resultado, el robot tiene un acoplamiento especialmente resistente y de alta velocidad que se activa en 20 milisegundos. Tras envolver la rama, el bloqueo de los tobillos del SNAG y un acelerómetro en la pata derecha informan de que el robot ha aterrizado y activan un algoritmo de equilibrio para estabilizarlo.
Durante la pandemia de coronavirus, Roderick trasladó el equipo, incluida una impresora 3D, desde el laboratorio de Lentink en Stanford al campo de Oregón, donde organizó un laboratorio en un sótano para pruebas controladas. Allí hizo que el SNAG se desplazara por un sistema de raíles que lo llevaba por distintas superficies, a una velocidad y orientación determinadas, para ver cómo funcionaba en distintos escenarios.
Una vez instalado el SNAG, Roderick también confirmó la capacidad del robot para atrapar objetos lanzados a mano, incluido un maniquí de práctica, una bolsa de granos de maíz y una pelota de tenis. Finalmente, Roderick y el SNAG se arriesgaron a ir al bosque cercano para realizar algunas pruebas en el mundo real.
En general, el SNAG funcionó tan bien que los próximos pasos en el desarrollo probablemente se centrarán en lo que ocurre antes del aterrizaje, por ejemplo, en mejorar la conciencia situacional y el control del vuelo del robot.
Este dispositivo robótico tiene innumerables aplicaciones posibles, incluidas las operaciones de búsqueda y rescate y la vigilancia de incendios forestales. También podría utilizarse con tecnologías distintas de los drones. La proximidad del SNAG a las aves permite obtener una visión única de la biología de las aves.
Por ejemplo, los investigadores manejaron el robot con dos disposiciones distintas de los dedos de las patas: la anisodáctila, con tres dedos delante y uno detrás, como en el halcón peregrino, y la zigodáctila, con dos dedos delante y dos detrás, como en el loro. Para su sorpresa, descubrieron que la diferencia de rendimiento entre ambas era muy pequeña.
Para Roderick, cuyos padres son ambos biólogos, una de las aplicaciones más interesantes del SNAG es la investigación ambiental. Con este fin, los investigadores también acoplaron al robot un sensor de temperatura y humedad, que Roderick utilizó para registrar el microclima de Oregón.
«En parte, la motivación principal de este trabajo era crear herramientas que pudiéramos usar para estudiar el mundo natural. Si tuviéramos un robot capaz de actuar como un pájaro, abriría formas completamente nuevas de estudiar el medio ambiente»
Lentink, que es el autor principal del artículo, elogió la perseverancia de Roderick en este proyecto, diseñado para durar años.
«En realidad, Will, que hace seis años habló con varios ecologistas en Berkeley y después escribió su trabajo para una beca de la NSF sobre el despliegue de robots aéreos para la vigilancia ambiental, dio origen a esta investigación. El estudio de Will resultó oportuno, porque ahora XPRIZE ha destinado 10 millones de dólares a resolver este desafío de vigilancia de la biodiversidad de los bosques tropicales»
