Muchos insectos son voladores fuertes y ágiles. Una de las razones es que la mayoría tiene cuatro alas, lo que les da un buen control sobre su dirección de vuelo y su orientación, pues les permite ajustar la inclinación, el balanceo y el giro. En los últimos años, expertos en aerodinámica, ingenieros y especialistas en robótica han intentado replicar el vuelo de los insectos en pequeños robots voladores. Pero la mejor conclusión a la que han llegado es que resulta extremadamente difícil.

Una de las máquinas voladoras más pequeñas jamás construida se llamaba RoboBee; propulsada por dos alas batientes, cada una activada de forma independiente por su propio pequeño actuador. De hecho, el nacimiento de RoboBee solo fue posible gracias al desarrollo de estos diminutos actuadores, cada uno de los cuales pesaba solo 25 miligramos.

Pero había un problema. En teoría, las dos alas batientes de RoboBee debían ser capaces de generar todas las fuerzas necesarias para ejecutar un vuelo controlado. Sin embargo, en la práctica, la máquina no pudo generar fuerzas suficientemente poderosas para controlar la inclinación, así que se solía mover de forma descontrolada.

Un mejor diseño sería un aparato a escala de insectos con cuatro alas batientes, similar a los insectos reales. Pero esto solo sería posible con actuadores significativamente más ligeros.

Y eso es justo lo que ha creado el ingeniero de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles (EE. UU.) Xiufeng Yang junto a sus compañeros. Sus nuevos actuadores pesan la mitad que de las versiones anteriores. Usaron cuatro de ellos para construir un robot con cuatro alas batientes, cada una con un lapso de solo 33 milímetros. El resultado es una máquina voladora parecida a un insecto llamada Bee +. Es capaz de posarse, aterrizar, seguir un camino y evitar obstáculos.

El avance se basa en una ingeniosa pieza de ingeniería. Los actuadores del RoboBee de 2013 eran de un tipo llamado bimorfo. Se trata de soportes hechos con dos capas de material piezoeléctrico separadas por una capa pasiva. Las capas piezoeléctricas se contraen de forma alternativa, lo que obliga al soporte a inclinarse hacia adelante y hacia atrás. Este movimiento impulsa el aleteo de un ala. Estos actuadores son simples, pequeños y ligeros, lo que resulta ideal para vuelos tipo insecto. Pero aunque los dos actuadores bimorfos de RoboBee pesan solo 50 miligramos, se trata de una fracción importante de la masa total del dispositivo, que es de 75 miligramos.

Yang y sus colegas han encontrado una manera de hacerlos aún más ligeros con un diseño de actuador llamado unimorfo. En lugar de dos capas de material piezoeléctrico, el unimorfo usa una sola tira unida a una capa pasiva. La contracción repetida de la capa piezoeléctrica hace que el soporte se doble. Y el movimiento de la punta del soporte impulsa el aleteo de un ala.

Este diseño de una sola capa hace que los actuadores sean significativamente más livianos. De hecho, los cuatro actuadores unimorfos pesan 56 miligramos, solo unos pocos gramos más que dos bimorfos. Además, los actuadores unimorfos simplifican el proceso de montaje. "El novedoso diseño reduce significativamente la complejidad del proceso de fabricación y la frecuencia estadística de los errores de montaje en comparación con la de los robots de dos alas", afirman Yang y compañía.

Y como el peso total del dispositivo de cuatro alas es de 95 miligramos, su carga es significativamente menor que en el caso de RoboBee. Eso reduce las fuerzas que condicionan los actuadores y aumenta su vida útil. "El enfoque propuesto tiene numerosas ventajas en términos de peso, dimensiones, aerodinámica, control y fabricación", sostiene el equipo.

Una limitación de Bee + (y otros aparatos voladores similares a los insectos como RoboBee) es que depende de un cable para recargarse. Esto permite a Yang y a sus compañeros demostrar su capacidad de vuelo sin preocuparse por el desafío de tener que almacenar energía. Otros grupos han demostrado insectos robóticos impulsados por rayos láser. Pero la energía a bordo sigue siendo un desafío importante.

Puede ver Bee + volando aquí

Se trata de un trabajo interesante que muestra cómo el progreso en robots inspirados en insectos depende fundamentalmente de los avances de ingeniería. De hecho, se necesitan más avances. Bee + puede estar inspirado en insectos, pero con sus 95 miligramos, resulta gigante en comparación con cualquier insecto real. Un abejorro, por ejemplo, pesa unos 10 miligramos y se recarga de forma autónoma.

Así que los ingenieros tendrán que seguir reduciendo el tamaño y el peso de sus máquinas en al menos un orden de magnitud, y eso antes de considerar el problema del almacenamiento de energía, que es aún más difícil de tratar. Por esa razón, puede que pase algún tiempo antes de que veamos robots con capacidades verdaderamente similares a los insectos.

Ref: arxiv.org/abs/1905.02253 : Bee+ : A 95-mg Four-Winged Insect-Scale Flying Robot Driven by Twinned Unimorph Actuators