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¿Cómo pueden los robots aterrizar como pájaros?

Bajo la atenta mirada de cinco cámaras de alta velocidad, un pequeño pájaro azul pálido llamado Gary espera la señal para volar. Diana Chin, una estudiante graduada de la Universidad de Stanford y entrenadora de Gary, señala con el dedo una percha a unos 20 centímetros de distancia. El problema aquí es que la perca está cubierta de teflón, por lo que parece imposible de agarrar de forma estable.

El exitoso aterrizaje de Gary sobre el teflón, y sobre otras perchas de diversos materiales, está enseñando a los investigadores cómo podrían crear máquinas que aterrizan como un pájaro.

"Los robots aéreos modernos generalmente necesitan una pista o una superficie plana para despegar y aterrizar fácilmente. Para un pájaro, casi en todas partes es un posible punto de aterrizaje, incluso en las ciudades", dijo Chin, quien es parte del laboratorio de David Lentink, asistente profesor de ingenieria mecanica. "Realmente queríamos entender cómo logran eso y la dinámica y las fuerzas involucradas".

Incluso los robots más avanzados no se acercan a la capacidad de agarre de los animales cuando se trata de objetos de diferentes formas, tamaños y texturas. Entonces, los investigadores reunieron datos sobre cómo Gary y otras dos aves aterrizan en diferentes tipos de superficies, incluida una variedad de perchas naturales y perchas artificiales cubiertas de espuma, papel de lija y teflón.

"Esto no es diferente a pedirle a una gimnasta olímpica que aterrice en barras altas cubiertas de teflón sin marcar sus manos", dijo Lentink, autor principal del artículo. Sin embargo, los loros hicieron lo que parece casi imposible para un humano sin esfuerzo.

La investigación del grupo, publicada el 6 de agosto en eLife, también incluyó estudios detallados de la fricción producida por las patas y patas de las aves. A partir de este trabajo, los investigadores descubrieron que el secreto de la versatilidad de percha del loro está en el agarre.

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Con el fin de comprender mejor las capacidades versátiles de agarre de las aves, los investigadores de Stanford enseñaron a los loros, como este pájaro, Gary, a volar a perchas hechas de diferentes materiales, como maderas naturales, espuma y teflón. (Crédito: Kurt Hickman / Servicio de Noticias de Stanford)

"Cuando observamos a una persona corriendo, una ardilla saltando o un pájaro volando, está claro que tenemos un largo camino por recorrer antes de que nuestra tecnología pueda alcanzar el complejo potencial de estos animales, tanto en términos de eficiencia como de atletismo controlado". dijo William Roderick, un estudiante graduado en ingeniería mecánica en el laboratorio de Lentink y en el laboratorio de Mark Cutkosky, el presidente de Fletcher Jones en la Escuela de Ingeniería. "Al estudiar los sistemas naturales que han evolucionado a lo largo de millones de años, podemos dar grandes pasos hacia la construcción de sistemas con capacidades sin precedentes".

Las perchas en esta investigación no eran el stock promedio de una tienda de mascotas. Los investigadores los dividieron en dos, a lo largo, en el punto que se alineaba aproximadamente con el centro del pie de un loro. En lo que respecta al pájaro, las perchas se sentían como una sola rama, pero cada mitad se sentaba encima de su propio sensor de fuerza / par de 6 ejes. Esto significaba que los investigadores podían capturar las fuerzas totales que el pájaro ejercía sobre la percha en muchas direcciones y cómo esas fuerzas diferían entre las mitades, lo que indicaba cuán fuerte estaban apretando las aves.

Después de que las aves aletearan a las nueve perchas con sensores de tamaño, suavidad y resbaladiza, el grupo comenzó a analizar las primeras etapas del aterrizaje. Al comparar diferentes superficies de percas, esperaban ver diferencias en la forma en que las aves se acercaban a la perca y la fuerza con la que aterrizaban, pero eso no fue lo que encontraron.

"Cuando procesamos por primera vez todos nuestros datos sobre la velocidad de aproximación y las fuerzas cuando el pájaro estaba aterrizando, no vimos ninguna diferencia obvia", recordó Chin. "Pero luego comenzamos a analizar la cinemática de los pies y las garras, los detalles de cómo los movieron, y descubrimos que los adaptan para pegar el aterrizaje".

La medida en que las aves envolvieron los dedos de los pies y rizaron las garras varió dependiendo de lo que encontraron al aterrizar. En superficies rugosas o blandas, como la espuma de tamaño mediano, el papel de lija y las perchas de madera rugosas, sus pies podrían generar grandes fuerzas de compresión con poca ayuda de sus garras. En las perchas que eran más difíciles de agarrar, la madera de seda, el teflón y el abedul grande, los pájaros doblaron más las garras, arrastrándolas por la superficie de la percha hasta que lograron un equilibrio seguro.

Este agarre variable sugiere que, al construir robots para aterrizar en una variedad de superficies, los investigadores podrían separar el control del aterrizaje cercano de las acciones requeridas para un aterrizaje exitoso.

Sus mediciones también mostraron que las aves son capaces de reposicionar sus garras de una protuberancia o hoyo a otra en solo 1 a 2 milisegundos. (A modo de comparación, un humano tarda entre 100 y 400 milisegundos en parpadear).

Los laboratorios Cutkosky y Lentink ya han comenzado a caracterizar cómo despegan los loros de las diferentes superficies. Combinado con su trabajo anterior explorando cómo los loros navegan su entorno, el grupo espera que los hallazgos puedan conducir a robots voladores más ágiles.

"Si podemos aplicar todo lo que aprendemos, podemos desarrollar robots bimodales que pueden hacer la transición hacia y desde el aire en una amplia gama de entornos diferentes y aumentar la versatilidad de los robots aéreos que tenemos hoy", dijo Chin.

Con ese fin, Roderick está trabajando en el diseño de los mecanismos que imitarían la forma y la física de las aves.

"Una aplicación de este trabajo que me interesa es tener robots encaramados que pueden actuar como un equipo de pequeños científicos pequeños que hacen grabaciones, de forma autónoma, para la investigación de campo en bosques o selvas", dijo Roderick. "Realmente disfruto aprovechando los fundamentos de la ingeniería y aplicándolos a nuevos campos para superar los límites de lo que se ha logrado anteriormente y lo que se conoce". (Fuente: Universidad de Stanford)

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