Investigadores de Toyota crean un dron del tamaño de un insecto
Investigadores de Toyota Central R&D Labs han creado un robot aéreo del tamaño de un insecto, con alas batientes, que funciona mediante tecnología inalámbrica de radiofrecuencia. Este dron, descrito en un artículo publicado en Nature Electronics, se basa en un receptor de energía de radiofrecuencia con una densidad de potencia de 4900 W/kg.
«Los drones pequeños suelen tener una autonomía muy limitada debido a su fuente de energía. El objetivo de nuestra reciente investigación era superar esta limitación. Actualmente, las fuentes de energía sin contacto que utilizan ondas electromagnéticas se aplican de forma práctica en diversos productos, pero no se sabe hasta qué punto pueden emplearse en pequeños robots voladores»
El objetivo principal de Ozaki y sus colegas era hacer funcionar un robot volador del tamaño de un insecto mediante tecnología de carga inalámbrica sin contacto. El robot creado por los investigadores consiste esencialmente en un actuador piezoeléctrico oscilante, alimentado por una antena dipolar de 5 GHz.
«Las aeronaves del tamaño de insectos son herramientas útiles para la comunicación, el estudio del entorno y la exploración de espacios cerrados. Sin embargo, la falta de baterías ligeras de alta densidad de potencia limita la duración del vuelo de estos microvehículos aéreos. La transmisión inalámbrica de energía mediante ondas electromagnéticas de radiofrecuencia puede potencialmente proporcionar penetración de obstáculos, capacidad de dirigir y enfocar ondas y control no mecánico de vehículos mediante matrices de antenas en fase. Pero el uso de la transmisión de energía por radiofrecuencia se ha limitado hasta ahora a vehículos más grandes», afirma el estudio.
«Una de las características clave de nuestro robot es el accionamiento de los aleteos de alta eficiencia, logrado mediante un material piezoeléctrico monocristalino potente y una disposición de bajas pérdidas en la que las dos alas se enfrentan entre sí, como las palmas al aplaudir. Este diseño ofrece una relación potencia-peso comparable a la eficiencia de los insectos vivos»
Un desafío clave para los ingenieros que intentan crear robots de tamaño miniatura es la aceleración térmica causada por las pérdidas de potencia. Para superar este problema, Ozaki y sus colegas optimizaron el diseño del circuito de su robot, asegurando que los componentes que generan calor no se colocaran cerca unos de otros ni uno junto a otro.
Además, los investigadores utilizaron un receptor de energía de radiofrecuencia con una densidad de potencia significativamente superior a la de las baterías estándar de polímero de litio de masa similar. Esto mejoró notablemente la eficiencia y la autonomía del robot.
«Creo que nuestro hallazgo más importante es que un circuito de subgramo puede recibir y procesar más de 1 W de potencia a distancia mediante una onda de radiofrecuencia. Esto indica que no solo los robots voladores, sino también otros dispositivos diversos que requieren mucha potencia con dimensiones reducidas, podrían funcionar sin baterías»
Para evaluar la eficacia de su diseño, Ozaki y sus colegas realizaron una serie de experimentos. En estas pruebas lograron que el robot del tamaño de un insecto despegara con suavidad y sin necesidad de baterías ni cables.
El robot creado por este equipo pesa solo 1,8 g, es decir, más de 25 veces más ligero que otros microvehículos con accionamiento de radiofrecuencia desarrollados en el pasado. Por ello, en el futuro podría resultar muy valioso para tareas complejas que impliquen penetrar en grietas, tuberías u otros espacios muy reducidos.
«En este artículo hemos demostrado con éxito el despegue. El siguiente paso será combinar esta tecnología de suministro de energía con el control de orientación, para que este robot pueda permanecer suspendido en el aire y desplazarse libremente. Creemos que esto es técnicamente posible, ya que ya hemos logrado controlar la posición del robot mediante alimentación por cable»
Los microvehículos aéreos (MAV) pueden utilizarse potencialmente para la detección del entorno, la comunicación, la búsqueda y rescate, y la inspección autónoma de zonas cerradas o peligrosas. Sin embargo, la normativa sobre estos dispositivos se endurece por el riesgo de accidentes. Por ejemplo, en EE. UU. los drones de más de 250 g deben registrarse, y las zonas de vuelo de los drones están estrictamente limitadas.
Japón también anunció recientemente que el peso umbral de los drones pequeños se reducirá de 200 a 100 g. En particular, dado que la energía de impacto de una aeronave que cae depende en gran medida de su masa, la seguridad de los MAV puede mejorarse mediante el diseño y desarrollo de dispositivos ligeros del tamaño de insectos.
Los investigadores creen que un MAV completamente funcional y no sujeto con una masa similar a la de un insecto puede hacerse realidad optimizando el diseño del vehículo y añadiendo nuevas funciones. Entre ellas se incluyen la integración de un sistema de control de vuelo y el uso de un sistema de enfoque/dirección del haz para el transmisor de energía.
