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Pez robótico inspirado en el atún

Ingenieros mecánicos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Virginia, liderando una colaboración con biólogos de la Universidad de Harvard, han creado el primer pez robótico que imita la velocidad y los movimientos del atún aleta amarilla. Su artículo revisado por pares fue publicado en Science Robotics, una rama de la revista Science dedicada a los avances tecnológicos en ciencia e ingeniería robótica.

Dirigido por Hilary Bart-Smith, profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial, el proyecto de atún robótico nació de una subvención de cinco años y 7.2 millones de dólares de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria que la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos otorgó a Bart-Smith para estudiar la rápida y eficiente natación de diferentes peces.

El objetivo del proyecto de Bart-Smith es comprender mejor la física de la propulsión de los peces, una investigación que eventualmente podría informar el desarrollo de la próxima generación de vehículos submarinos, impulsados por sistemas similares a los de los peces, mejor que las hélices.

Los robots submarinos también son útiles en una variedad de aplicaciones, como defensa, exploración de recursos marinos, inspección de infraestructura y recreación.

Sin embargo, mucho antes de que los sistemas de propulsión bioinspirados puedan ser viables para uso público y comercial en vehículos tripulados y no tripulados, los investigadores deben ser capaces de comprender de manera confiable cómo los peces y otras criaturas se mueven a través del agua.

“Nuestro objetivo no era solo construir un robot. Realmente queríamos entender la ciencia de la natación biológica ”, dijo Bart-Smith. «Nuestro objetivo era construir algo en lo que pudiéramos probar hipótesis en términos de lo que hace a los nadadores biológicos tan rápidos y eficientes».

El equipo primero necesitaba estudiar la mecánica biológica de los nadadores de alto rendimiento. El profesor de biología de Harvard George V. Lauder y su equipo de investigadores midieron con precisión la dinámica de natación del atún aleta amarilla y la caballa. Utilizando esos datos, Bart-Smith y su equipo, el científico investigador Jianzhong «Joe» Zhu y Ph.D. El estudiante Carl White, construyó un robot que no solo se movía como un pez bajo el agua, sino que golpeaba su cola lo suficientemente rápido como para alcanzar velocidades casi equivalentes. Luego compararon el robot que llamaron «Tunabot» con especímenes vivos.

“Hay muchos documentos sobre robots de peces, pero la mayoría de ellos no tienen muchos datos biológicos. Así que creo que este documento es único en la calidad tanto del trabajo robótico como de los datos biológicos unidos en un solo documento «, dijo Lauder.

“Lo que es fantástico con los resultados que presentamos en el documento son las similitudes entre la biología y la plataforma robótica, no solo en términos de cinemática de natación, sino también en términos de la relación entre la velocidad y la frecuencia de latido de cola y el rendimiento energético. «, Dijo Bart-Smith. «Estas comparaciones nos dan confianza en nuestra plataforma y su capacidad para ayudarnos a comprender más sobre la física de la natación biológica».

El equipo de investigación capturó y documentó el movimiento de su pez robótico. (Imagen de ingeniería UVA)
El equipo de investigación capturó y documentó el movimiento de su pez robótico. (Imagen de ingeniería UVA)

El atún robótico se basa en las fortalezas de UVA Engineering en sistemas autónomos

El Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial participa en Link Lab de UVA Engineering para sistemas ciberfísicos, que se enfoca en ciudades inteligentes, salud inteligente y sistemas autónomos, incluidos vehículos autónomos.

El proyecto Tunabot es una consecuencia de la segunda Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de Bart-Smith, altamente competitiva, de la Oficina de Investigación Naval; en 2008, Bart-Smith recibió un premio de 6.5 millones de dólares para desarrollar un robot submarino modelado en una manta raya.

Las pruebas de Tunabot se llevan a cabo en un gran laboratorio en el edificio de Ingeniería Mecánica en UVA Engineering, en un tanque de flujo que ocupa aproximadamente una cuarta parte de la sala y en la Universidad de Harvard en una instalación similar.

Vídeo del primer Pez Robótico inspirado en los atúnes

El pez réplica sin aletas mide aproximadamente 10 pulgadas de largo (25,4 cms) ; El equivalente biológico puede alcanzar hasta siete pies de largo (2,10 metros). Una correa de hilo de pesca mantiene el robot estable, mientras que una luz láser verde atraviesa la línea media del pez de plástico. El láser mide el movimiento fluido que arroja el robot con cada barrido de su cola fabricada. A medida que la corriente de agua en el tanque de flujo se acelera, la cola y el cuerpo entero del Tunabot se mueven en un patrón de flexión rápida, similar a la forma en que nada un atún aleta amarilla vivo.

“Vemos en la literatura sobre robótica de peces hasta ahora que hay sistemas realmente excelentes que otros han creado, pero los datos a menudo son inconsistentes en términos de selección y presentación de mediciones. Es solo el estado actual del campo de la robótica en este momento. Nuestro artículo sobre el Tunabot es significativo porque nuestros datos de rendimiento exhaustivos establecen un nivel muy alto «, dijo White.

La relación entre biología y robótica es circular, dijo Lauder. «Una razón por la que creo que tenemos un programa de investigación exitoso en esta área es por la gran interacción entre biólogos y robotistas». Cada descubrimiento en una rama informa a la otra, un tipo de circuito de retroalimentación educativa que avanza constantemente tanto la ciencia como la ciencia. Ingenieria.

«No asumimos que la biología ha evolucionado a la mejor solución», dijo Bart-Smith. “Estos peces han tenido mucho tiempo para evolucionar hacia una solución que les permita sobrevivir, específicamente, comer, reproducirse y no ser comidos. Sin restricciones por estos requisitos, podemos centrarnos únicamente en los mecanismos y características que promueven un mayor rendimiento, mayor velocidad y mayor eficiencia. Nuestro objetivo final es superar la biología. ¿Cómo podemos construir algo que se parezca a la biología pero que nade más rápido que cualquier cosa que veas en el océano?

Fuente: Christopher Tyree en  UVA Today