Se cree que los peces ajustan la rigidez de la cola para nadar de manera eficiente en una amplia gama de velocidades, pero cómo y cuándo ajustan la rigidez es un misterio. Un modelo creado por investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Virginia que combina robótica, dinámica de fluidos y biomecánica reveló el secreto del ajuste de la rigidez y permitió que un robot parecido a un pez nadara mucho más eficientemente que un pez sin cola ajustable. Crédito: Dan Quinn y Qiang Zhong
Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Virginia descubren los secretos de la natación altamente eficiente a diferentes velocidades. Una cola de pez robótica y una elegante proporción matemática pueden informar el diseño de los drones submarinos de próxima generación.
Los vehículos submarinos suelen estar diseñados para una velocidad de crucero y, a menudo, son ineficaces a otras velocidades. La tecnología es rudimentaria en comparación con la forma en que los peces nadan bien, rápido o lento.
¿Qué pasa si desea que su vehículo submarino viaje rápidamente a través de millas de océano, luego reduzca la velocidad para trazar un mapa de un arrecife de coral estrecho o acelere hasta el sitio de un derrame de petróleo y luego acelere hacia atrás para tomar medidas cuidadosas?
Dan Quinn, profesor asistente de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia, y su colega, recientemente un doctorado en la UVA Graduate e investigador postdoctoral Qiang Zhong, descubrieron una estrategia clave para permitir este tipo de misiones de múltiples velocidades. Demostraron una forma sencilla de implementar esta estrategia en robots, que en última instancia podría informar el diseño de vehículos submarinos. Su trabajo fue publicado recientemente en Science Robotics.
Al diseñar robots nadadores, una pregunta que siempre surge para los investigadores es qué tan rígida debe ser la parte que impulsa a los robots a través del agua. Es una pregunta difícil, porque la misma rigidez que funciona bien en algunas situaciones puede fallar miserablemente en otras.
“Tener rigidez en la cola es como tener una relación de transmisión en una bicicleta”, dijo Quinn, quien tiene roles conjuntos en ingeniería mecánica y aeroespacial e ingeniería eléctrica e informática. “Solo serías eficiente a una velocidad. Sería como andar por San Francisco en una bicicleta de piñón fijo; estarías exhausto después de unas pocas cuadras. «
Es probable que los peces resuelvan este problema ajustando su rigidez en tiempo real: ajustan diferentes niveles de rigidez según la situación.
El problema es que no existe una forma conocida de medir la rigidez de un pez nadando, por lo que es difícil saber si los peces lo están haciendo y cómo lo están haciendo. Quinn y Zhong resolvieron esto combinando dinámica de fluidos y biomecánica para derivar un modelo de cómo y por qué debería ajustarse la rigidez de la cola.
“Sorprendentemente”, dijo Quinn, “un resultado simple salió de todas las matemáticas: la rigidez debería aumentar con la velocidad de natación al cuadrado.
“Para probar nuestra teoría, construimos un robot parecido a un pez que usa un tendón artificial programable para ajustar la rigidez de su cola mientras nada en un canal de agua. Lo que sucedió es que, de repente, nuestro robot pudo nadar a un rango más amplio de velocidades, usando casi la mitad de la energía del mismo robot con una cola de rigidez fija. La mejora fue realmente notable. «
“Nuestro trabajo es el primero que combina biomecánica, dinámica de fluidos y robótica para estudiar exhaustivamente la rigidez de la cola, lo que ayuda a desentrañar el antiguo misterio de cómo la rigidez de la cola afecta el rendimiento de la natación”, dijo Zhong. “Lo que es aún más fantástico es que no solo estamos enfocados en el análisis teórico, sino también en proponer una guía práctica para la rigidez ajustable. Nuestra estrategia de rigidez sintonizable propuesta demostró ser efectiva en misiones de natación realistas, donde un pez robot alcanzaba alta velocidad y alta eficiencia mientras nadaba simultáneamente. «
Ahora que el equipo ha modelado los beneficios de la rigidez ajustable, extenderán su modelo a otros tipos de natación. El primer robot fue diseñado como un atún; ahora el equipo está pensando en cómo llegar a los delfines o renacuajos. También están construyendo un robot que emula los movimientos ondulatorios de las mantarrayas.
“No creo que nos vayamos a quedar sin proyectos pronto. Cada animal acuático que examinamos nos dio nuevas ideas sobre cómo construir mejores robots nadadores. Y hay muchos más peces en el mar ”, dijo Quinn.
Referencia: «La rigidez ajustable permite nadar de forma rápida y eficiente en robots parecidos a peces» por Q. Zhong, J. Zhu, FE Fish, SJ Kerr, AM Downs, H. Bart-Smith y DB Quinn, 11 de agosto de 2021, Science Robótica.
DOI: 10.1126 / scirobotics.abe4088
