Los microfliers, o robots inalámbricos en miniatura desplegados en gran número, a veces se utilizan hoy en día con fines de vigilancia y seguimiento a gran escala, como en estudios ambientales o biológicos. Debido a la capacidad de los volantes para dispersarse en el aire, pueden extenderse para cubrir grandes áreas después de ser lanzados desde un solo lugar, incluso en lugares donde el acceso sería difícil. Además, son más pequeños, livianos y económicos de implementar que varios drones.
Uno de los desafíos para crear microvoladores más eficientes ha sido reducir el consumo de energía. Una forma de hacerlo, como han demostrado investigadores de la Universidad de Washington (UW) y la Universidad Grenoble Alpes, es deshacerse de la batería. Inspirándose en el arte japonés del plegado de papel, el origami, diseñaron microvoladores programables que pueden dispersarse con el viento y cambiar de forma mediante accionamiento electrónico. Esto se logra mediante un actuador alimentado por energía solar que puede producir hasta 200 milinewtons de fuerza en 25 milisegundos.
"Piense en estos pequeños volantes como una plataforma de sensores para medir las condiciones ambientales, como la temperatura, la luz y otras cosas".
—VIKRAM IYER, UNIVERSIDAD DE WASHINGTON
"Lo bueno de estos diseños de origami es que hemos creado una forma para que cambien de forma en el aire, completamente sin batería", dice Vikram Iyer, científico informático e ingeniero de la Universidad de Washington, uno de los autores. "Es un cambio bastante pequeño en la forma, pero crea un cambio muy dramático en el comportamiento de caída... que nos permite tener cierto control sobre cómo vuelan estas cosas".
Estados de caída y estable: A) El microvolador de origami aquí está en su estado de caída y B) configuración posterior al aterrizaje. A medida que desciende, el volante cae, con un patrón de caída típico que se muestra en C. D) El microvolador de origami está aquí en su estado de descenso estable. El rango de lugares de aterrizaje de los aviadores, E, revela sus patrones de dispersión después de ser liberados de su dron principal.
Esta investigación se basa en un trabajo anterior de los investigadores publicado en 2022, que demuestra sensores que pueden dispersarse en el aire como semillas de diente de león. Para el estudio actual, "el objetivo era implementar cientos de estos sensores y controlar dónde aterrizan, para lograr implementaciones precisas", dice el coautor Shyamnath Gollakota, quien dirige el Laboratorio de Inteligencia Móvil en WU. Los microaviones, cada uno de los cuales pesa menos de 500 miligramos, pueden viajar casi 100 metros con una ligera brisa y transmitir de forma inalámbrica datos sobre la presión del aire y la temperatura a través de Bluetooth hasta una distancia de 60 metros. Los hallazgos del grupo se publicaron en Science Robotics a principios de este mes.
Descubrir la diferencia en el comportamiento de caída de los dos estados de origami fue una casualidad, dice Gollakota: "Cuando está plano, es casi como una hoja, dando vueltas [con el] viento", dice. "Un cambio muy leve de plano a ligeramente curvado hace que caiga como un paracaídas en un movimiento muy controlado". En su estado giratorio, en ráfagas de viento laterales, los microvoladores alcanzan hasta tres veces la distancia de dispersión que en su estado estable, añade.
Este primer plano del microvolador revela la electrónica y los circuitos en su parte superior.
Ha habido otros sistemas basados en origami en los que se han utilizado motores, actuadores electrostáticos, aleaciones con memoria de forma y polímeros electrotérmicos, por ejemplo, pero estos no abordaron los desafíos que enfrentan los investigadores, dice Gollakota. Una era encontrar el punto óptimo entre un mecanismo de actuación lo suficientemente fuerte como para no cambiar de forma sin ser activado y, al mismo tiempo, lo suficientemente liviano como para mantener bajo el consumo de energía. A continuación, tuvo que producir una respuesta de transición rápida mientras caía al suelo. Por último, necesitaba contar con una solución ligera de almacenamiento de energía a bordo para desencadenar la transición.
Aún les llevó un año idear el mecanismo, que Gollakota describe como "bastante de sentido común". Hay un tallo en el medio del origami, que comprende una bobina de solenoide (una bobina que actúa como un imán cuando una corriente la atraviesa) y dos pequeños imanes. Cuatro varillas articuladas de fibra de carbono sujetan el vástago a los bordes de la estructura. Cuando se aplica un pulso de corriente a la bobina del solenoide, empuja los imanes entre sí, haciendo que la estructura adopte su forma alternativa.
Todo lo que se requiere es un poquito de energía, lo suficiente para colocar los imanes a la distancia adecuada entre sí para que las fuerzas magnéticas funcionen, dice Gollakota. Hay una serie de células solares delgadas y livianas para recolectar energía, que se almacena en un pequeño capacitor. El circuito se fabrica directamente sobre la estructura de origami plegable y también incluye un microcontrolador, un temporizador, un receptor Bluetooth y sensores de presión y temperatura.
"Podemos programar estas cosas para desencadenar el cambio de forma en función de cualquiera de estas cosas: después de un tiempo fijo, cuando le enviamos una señal de radio o a una altitud [o temperatura] que este dispositivo detecta", añade Iyer. La estructura del origami es biestable, lo que significa que no necesita energía para mantener su forma una vez que ha realizado la transición.
Los investigadores dicen que su diseño puede ampliarse para incorporar sensores para una variedad de aplicaciones de monitoreo ambiental. "Piense en estos pequeños volantes como una plataforma de sensores para medir las condiciones ambientales, como la temperatura, la luz y otras cosas, [y] cómo varían en la atmósfera", dice Iyer. O pueden desplegar sensores en el terreno para cosas como agricultura digital, estudios relacionados con el cambio climático y seguimiento de incendios forestales.
En su prototipo actual, los microvoladores solo cambian de forma en una dirección, pero los investigadores quieren hacer que hagan la transición en ambas direcciones, para poder alternar los dos estados y controlar la trayectoria aún mejor. También imaginan un enjambre de microvoladores comunicándose entre sí, controlando su comportamiento y autoorganizando cómo caen y se dispersan.
El artículo se reproduce en el sitio web:https://spectrum.ieee.org/topic/robotics/#toggle-gdpr
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