El nuevo diseño permite que los insectos robóticos aterricen en las paredes y despeguen de ellas con facilidad

7 de agosto de 2023

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Los insectos en la naturaleza poseen increíbles habilidades de vuelo y pueden adherirse a paredes de diversos materiales y trepar por ellas. Los insectos que pueden volar batiendo las alas, trepar a una pared y cambiar suavemente entre los dos regímenes de locomoción nos proporcionan excelentes modelos biomiméticos. Sin embargo, muy pocos robots biomiméticos pueden realizar tareas de locomoción complejas que combinen las dos habilidades de trepar y volar.

Es un desafío diseñar sistemas de energía para volar y trepar con características similares al aleteo de las alas de un insecto y sus habilidades para trepar paredes. La estrategia de control de transición de vuelo-escalada es difícil de aplicar a los robots biónicos de vuelo-escalada.

Esto se debe principalmente a que a los actuales sistemas de vuelo con alas batientes que pueden flotar les resulta difícil generar suficiente sustentación para soportar el robot trepamuros como carga, y el estudio de los robots trepamuros que pueden adherirse a varios tipos de superficies no es exhaustivo.

Además, aún es necesario estudiar el método de control de transición de vuelo-escalada orientado a la pared para diseñar el modo de movimiento que pueda imitar eficazmente a los insectos naturales que aterrizan y despegan de la pared.

Recientemente, un equipo de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing (NUAA) ha desarrollado una nueva estrategia de control de transición de actitud. Un robot biónico con capacidad de volar y trepar puede realizar movimientos suaves, incluido aterrizar en una pared vertical, escalar a lo largo de la pared y despegar de la pared.

"El robot con capacidad de movimiento entre dominios puede expandir el espacio de un robot de un solo dominio y resolver los problemas que enfrenta un robot de un solo dominio, como la aplicación limitada y la dificultad para interactuar con cantidades físicas externas", dijo Aihong Ji, quien dirigió la investigación.

El robot de pared aérea ha demostrado con éxito su capacidad para aterrizar, trepar y despegar desde una variedad de paredes verticales complejas, que incluyen vidrio, puertas de madera, mármol, corteza de árbol, tela elástica, paredes de cal y láminas de hierro pintadas. Esta serie de pasos es muy común en la naturaleza, por ejemplo, cuando una mosca llega a un lugar después de volar una cierta distancia, aterriza en una pared, sube a un lugar donde se siente cómoda y luego vuela al siguiente lugar. Tiene implicaciones importantes para comprender el despegue y aterrizaje de los insectos.

El estudio fue publicado en Investigación. Ji es profesor en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de NUAA.

El insecto robot adopta un diseño de potencia híbrido de aleteo/rotor, que realiza no sólo un vuelo eficiente y controlable en el aire sino también la fijación y escalada en la pared vertical a través de una combinación sinérgica de adsorción aerodinámica de presión negativa de la potencia del rotor y un mecanismo de escalada con rendimiento de adhesión biónica.

"Los insectos pueden volar en el aire y trepar por la pared, lo que se beneficia de su ágil control del aleteo y la postura del cuerpo. Utilizan información visual, de alas y piernas para coordinar el despegue y el aterrizaje", dijo Ji. "La sustentación generada por el aleteo de las alas es hacia arriba mientras el insecto flota, mientras que la postura del cuerpo se puede cambiar arbitrariamente. Especialmente al aterrizar en una pared o despegar de una pared, es necesario completar una serie de acciones modulares complejas, "Incluyendo desaceleración del cuerpo y rotación de gran ángulo del cuerpo. Nos inspiró darnos cuenta de que se espera que un robot anfibio biónico con capacidad de rotación de gran ángulo complete la transición entre volar y trepar imitando el control de la postura corporal de los insectos".

Pero en contraste con la disposición de las patas trepadoras del insecto en relación con su cuerpo, la parte trepadora está diseñada por encima del cuerpo del robot, señaló Ji. Por lo tanto, la potencia de la parte voladora del robot no solo puede proporcionar adsorción aerodinámica de presión negativa para la parte que sube, sino también resistir el momento de vuelco causado por la gravedad.

El diseño del eje longitudinal de la dinámica del rotor y la estrategia de control realizan un movimiento cruzado único durante la transición de vuelo-ascenso. El insecto robot proporciona suficiente fuerza de control y par. El empuje vertical neto de la potencia híbrida de aleteo/rotor cuando se acciona mantiene una relación aproximadamente lineal con respecto al comando de aceleración. Además, bajo la señal de control compuesta, se demostró que la entrada y salida de par de 3 ejes del control de potencia híbrido de aleteo/rotor son independientes y no interfieren. El valor del par satisface la demanda de control y la lógica de distribución del control es razonable.

"Para optimizar el esquema de transición entre vuelo y ascenso del robot anfibio biónico, hemos realizado varias pruebas preliminares", dijo Ji. "El proceso de transición entre vuelo y ascenso depende estrechamente del diseño del diseño híbrido y requiere un control coordinado de los actuadores".

El equipo cuantificó el rendimiento de transición del insecto robot. El robot puede realizar transiciones aire-pared-aire continuas y completas en 6,1 s. Permite que el robot cruce el límite aire-pared en 0,4 s (aterrizaje) y cruce el límite pared-aire en 0,7 s (despegue). La velocidad de ascenso en la pared vertical es de 6 cm/s. Demostró la capacidad del robot de pared aérea para realizar la transición entre volar en el aire y escalar la pared y verificó la viabilidad del diseño general de la estructura y la estrategia de control.

Ji imagina que se agregarán ganchos y garras microscópicos en el molde de inyección de la almohadilla adhesiva para lograr realmente la interacción sinérgica entre los ganchos y las almohadillas adhesivas de los insectos, lo que les ayudará a adaptarse a entornos complicados.

Más información: Qian Li et al, Un insecto robótico de pared aérea que puede aterrizar, trepar y despegar desde superficies verticales, Investigación (2023). DOI: 10.34133/investigación.0144