27 de January de 2022

Los investigadores presentan una nueva generación de drones diminutos y ágiles

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Las notables propiedades acrobáticas de los insectos les ayudan a orientarse por el mundo aéreo con todas sus ráfagas de viento, obstáculos e incertidumbres generales. Imagen: Cortesía de Kevin Yufeng Chen

Por Daniel Ackerman

Si alguna vez te has quitado un mosquito de la cara para que vuelva una y otra vez, sabes que los insectos pueden ser notablemente acrobáticos y resistentes en vuelo. Estas propiedades les ayudan a orientarse por el mundo aéreo con todas sus ráfagas de viento, obstáculos e incertidumbres generales. Estas propiedades también son difíciles de incorporar a los robots voladores, pero el profesor asistente del MIT Kevin Yufeng Chen ha desarrollado un sistema que se aproxima a la movilidad de los insectos.

Chen, miembro del Departamento de Ciencias de la Computación y Electricidad y del Laboratorio de Investigación de Electrónica, ha desarrollado drones del tamaño de un insecto con una destreza y resistencia incomparables. Los robots voladores están propulsados ​​por una nueva clase de actuadores suaves que les permiten soportar las dificultades físicas del vuelo real. Chen espera que algún día los robots puedan ayudar a las personas polinizando plantas o realizando inspecciones de máquinas en espacios reducidos.

El trabajo de Chen aparece en la revista este mes. Transacciones IEEE sobre robótica. Entre sus coautores se encuentran el estudiante de doctorado del MIT Zhijian Ren, el estudiante de doctorado Siyi Xu de la Universidad de Harvard y el robotista Pakpong Chirarattananon de la City University of Hong Kong.

Por lo general, los drones requieren grandes espacios abiertos, ya que no son lo suficientemente ágiles para navegar en espacios reducidos ni lo suficientemente robustos para resistir colisiones entre una multitud. “Si observamos la mayoría de los drones hoy en día, suelen ser bastante grandes”, dice Chen. “La mayoría de sus usos incluyen volar al aire libre. La pregunta es: ¿se pueden crear robots a escala de insectos que puedan moverse en espacios muy complejos y abarrotados? “

Según Chen, el desafío de construir pequeños robots voladores es inmenso. Los drones del tamaño de una pinta requieren un diseño fundamentalmente diferente al de los más grandes. Los drones grandes generalmente funcionan con motores, pero los motores pierden eficiencia a medida que los reduce. Chen dice que para los robots parecidos a insectos es necesario buscar alternativas.

Hasta ahora, la principal alternativa ha sido utilizar un actuador pequeño y rígido hecho de materiales cerámicos piezoeléctricos. Si bien la cerámica piezoeléctrica hizo posible que volara la primera generación de pequeños robots, son bastante frágiles. Y ese es un problema cuando estás construyendo un robot que imita a un insecto: los abejorros cuando buscan comida sufren una colisión aproximadamente una vez por segundo.

Chen diseñó un dron diminuto más resistente con actuadores suaves en lugar de duros y frágiles. Los actuadores blandos constan de cilindros de goma delgados recubiertos con nanotubos de carbono. Cuando se aplica voltaje a los nanotubos de carbono, generan una fuerza electrostática que comprime y alarga el cilindro de la manta. El estiramiento y la contracción repetidos hacen que las alas del dron se muevan rápidamente.

Los actuadores de Chen pueden aletear casi 500 veces por segundo, lo que le da al dron una resistencia similar a la de un insecto. “Puedes golpearlo cuando vuela y puede recuperarse”, dice Chen. “También puede realizar maniobras agresivas como saltos mortales en el aire”. Y solo pesa 0,6 gramos, aproximadamente la masa de un abejorro grande. El dron se parece un poco a un pequeño cassette con alas, aunque Chen está trabajando en un nuevo prototipo que tiene forma de libélula.

“Lograr un vuelo con un robot dentro de un radio de un centímetro es siempre una hazaña impresionante”, dice Farrell Helbling, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Cornell, que no participó en la investigación. “Debido a la conformidad inherente de los actuadores suaves, el robot puede encontrar obstáculos de manera segura sin obstaculizar gravemente el vuelo. Esta característica funciona bien para vuelos en entornos dinámicos y concurridos y puede ser muy útil para cualquier cantidad de aplicaciones del mundo real. “

Helbling agrega que un paso importante hacia estas aplicaciones es desconectar los robots de una fuente de alimentación cableada, que actualmente es requerida por la alta tensión de funcionamiento de los actuadores. “Tengo curiosidad por ver cómo los autores reducirán la tensión de funcionamiento para que algún día puedan lograr un vuelo sin cables en entornos reales”.

La construcción de robots con forma de insectos ofrece una visión de la biología y la física del vuelo de los insectos, una ruta de investigación de larga data para los investigadores. El trabajo de Chen aborda estos problemas a través de una especie de ingeniería inversa. “Si quieres aprender cómo vuelan los insectos, es muy educativo construir un modelo de robot a gran escala”, dice. “Puedes alterar algunas cosas y ver cómo esto afecta la cinemática o cómo cambian las fuerzas del fluido. Esto te ayudará a comprender cómo vuelan estas cosas. “Sin embargo, Chen quiere agregar más que solo libros de texto de entomología. Sus drones también pueden ser útiles en la industria y la agricultura.

Según Chen, sus mini trapecistas podían controlar máquinas complejas para garantizar la seguridad y la funcionalidad. “Piense en inspeccionar un motor de turbina. Quieres que un dron se mueva [an enclosed space] Compruebe si hay grietas en las placas de la turbina con una cámara pequeña. “

Otros posibles usos son la polinización artificial de plantas o la realización de misiones de búsqueda y rescate después de un desastre. “Todas estas cosas pueden ser un gran desafío para los grandes robots existentes”, dice Chen. A veces, cuanto más grande no es mejor.

Noticias del MIT

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