Robot atún podría allanar el camino a robots y drones submarinos más maniobrables y eficientes
En los robots que pueden nadar bajo el agua no hay nada nuevo. Por ejemplo, a principios de 2021 Carnegie Mellon equipó a su famoso robot serpiente con turbinas y propulsores de empuje lateral para darle capacidades para deportes acuáticos. Pero pocos pueden hacerlo con la elegancia, la velocidad y la ligereza de un pez de verdad. Y no es que los científicos hayan evitado intentar crear un robot capaz de hacer precisamente eso.
Los robots submarinos son útiles para explorar objetos en el mar profundo, desde barcos hundidos hasta nuevas formas de vida. Sin embargo, tienen algunas limitaciones. Por ejemplo, tienden a moverse a una sola velocidad, y los operadores suelen tener que lanzarlos al agua cerca del lugar deseado. Los propulsores para buceadores, principalmente scooters submarinos, son rápidos, pero no pueden acercarse a algo que requiere un estudio más detallado.
Lo que realmente se necesita es un robot submarino que pueda nadar hasta un lugar remoto y luego reducir la velocidad para estudiarlo con más atención. Pero esto es más complicado de lo que parece a primera vista.
Investigadores de la Universidad de Virginia han ideado cómo crear un aparato robótico que haga todo lo anterior, imitando la rigidez de la cola de un pez, y descubrieron y aplicaron una hermosa y sencilla fórmula matemática. El resultado fue un robot que puede acelerar y frenar casi tan bien como un pez real. Publicaron su trabajo en Science Robotics.
El enigma de los peces resuelto
«La rigidez de una sola cola es como tener una única marcha en una bicicleta. Solo serías eficiente a una velocidad. Sería como recorrer San Francisco en una bicicleta de piñón fijo: te agotarías después de unas pocas manzanas»
Quinn y su colega en la investigación Qiang Zhong sugirieron que los peces cambian la rigidez de su cola para satisfacer la necesidad, que cambia con frecuencia, de velocidad. Por desgracia, esto es difícil de confirmar o medir cuando el pez nada, por lo que la rigidez necesaria para avanzar eficientemente a distintas velocidades era desconocida. Los investigadores combinaron la hidrodinámica y la biomecánica para desarrollar un modelo que pudiera dar respuesta y, como dice Zhong, «revelar un misterio que existe desde hace mucho tiempo sobre cómo la rigidez de la cola afecta a la eficiencia de la natación».
La solución del enigma resultó sorprendentemente elegante. «Asombroso. Un resultado sencillo salió de toda la matemática: la rigidez debe aumentar con el cuadrado de la velocidad de natación», afirmó Quinn.
El atún supera la prueba
Para comprobar sus conclusiones, los científicos construyeron un robot submarino parecido a un atún, con un tendón artificial programable, con el que se podía ajustar la rigidez de su cola a diferentes velocidades mientras se desplazaba por un canal de prueba de agua.
«Nuestro robot pudo de repente nadar en un rango de velocidades más amplio, usando casi la mitad de energía que el mismo robot con cola de rigidez fija. La mejora fue realmente notable»
Zhong destaca su enfoque interdisciplinar: «No nos centramos solo en el análisis teórico, sino que también ofrecemos una guía práctica para ajustar la rigidez». La estrategia de rigidez ajustable propuesta por los investigadores demostró su eficacia en misiones de natación realistas, en las que el pez robot alcanzó a la vez alta velocidad y alta eficiencia de natación.
Tras demostrar su teoría con el atún ajustable, los científicos están interesados en trasladar la tecnología de la cola a robots acuáticos de tamaños que van desde renacuajos hasta delfines. Actualmente, Quinn y Zhong desarrollan un robot ondulatorio basado en las rayas.
«Los peces tienen una alta eficiencia de natación en un amplio rango de velocidades. La clave de este logro es su flexibilidad, pero en cuanto al rendimiento, incluso los peces robóticos flexibles no pueden seguir el ritmo de un pez real. <…> Desarrollamos un modelo que explica cómo y por qué la rigidez de ajuste afecta al rendimiento. Mostramos que, para lograr la máxima eficiencia, la tensión muscular debe escalar con el cuadrado de la velocidad de natación, lo que ofrece una estrategia sencilla de ajuste para robots con forma de pez. Ajustar la rigidez puede duplicar la eficiencia de natación a frecuencias y velocidades similares a las del atún (de 0 a 6 hercios, de 0 a 2 longitudes corporales por segundo). El ahorro de energía aumenta con la frecuencia, lo que indica que los robots con forma de pez de alta frecuencia son los que más se benefician de la rigidez ajustable», se afirma en el estudio científico. »
«No creo que en breve nos falten proyectos. Cada animal acuático que hemos estudiado nos ha dado nuevas ideas sobre cómo crear robots nadadores más perfeccionados. Y en el mar todavía hay muchos peces»
Algún día, el trabajo de los investigadores podría dar lugar a toda una clase de drones que puedan desplazarse rápidamente hasta un lugar remoto y luego reducir la velocidad para explorar el terreno. Al igual que el robot serpiente acuático, esto es algo que el ejército de EE. UU. podría usar para inspeccionar sus barcos en busca de daños.
