Hay drones diseñados para volar sobre un territorio y robots submarinos preparados para explorar lo que ocurre debajo del agua. El problema comienza cuando una misión necesita hacer ambas cosas. Las hélices que funcionan bien en el aire no suelen resultar eficientes bajo el mar, mientras que los sistemas pensados para nadar añaden peso, resistencia y complejidad cuando llega el momento de despegar. Un equipo de ingenieros del MIT y la Escuela Politécnica Federal de Lausana decidió abordar ese inconveniente desde otro ángulo .
En lugar de construir un aparato con un motor para cada entorno, se fijó en los animales que llevan millones de años resolviendo el mismo desafío sin cambiar de cuerpo: las aves buceadoras. El resultado es el FAAV, abreviatura de flapping-wing aerial-aquatic vehicle . Se trata de un robot de menos de 300 gramos que vuela, se sumerge, nada y vuelve a despegar utilizando el mismo par de alas. No es todavía un dron oceánico listo para trabajar sin supervisión, pero sí una demostración de que la frontera entre el aire y el agua puede cruzarse sin cargar dos vehículos diferentes en un único fuselaje.
El agua es mil veces más densa que el aire, pero las aves ya habían resuelto el problema © Raphael Zufferey. Diseñar un sistema de propulsión válido para ambos medios parecía, en principio, una mala idea. El agua es aproximadamente mil veces más densa que el aire, por lo que un ala que se mueve con facilidad durante el vuelo encuentra una resistencia muy superior al sumergirse. Hacerla demasiado rígida facilita mantenerse en el cielo, pero penaliza el movimiento bajo el agua; volverla excesivamente flexible provoca justo lo contrario.
Los investigadores estudiaron la información disponible sobre cerca de un centenar de especies, entre ellas frailecillos, petreles, martines pescadores, gaviotas y colimbos. Observaron que las aves pequeñas pueden batir las alas aproximadamente diez veces por segundo en el aire y reducir esa frecuencia a unas cuatro cuando nadan. Las especies de mayor tamaño presentan ritmos algo inferiores debido a su mayor envergadura. Esa comparación permitió construir un robot que recuerda vagamente a un pájaro.
Tiene un fuselaje central que aloja la batería y un motor eléctrico impermeabilizado, dos alas flexibles movidas mediante un cigüeñal y una cola orientable que controla la inclinación. Las membranas de las alas están cubiertas con nanopartículas hidrófugas para desprender el agua con rapidez y evitar que el peso acumulado arruine el vuelo posterior. El equipo fabricó tres pares intercambiables, con envergaduras de 60, 80 y 100 centímetros. Así pudo probar hasta qué punto el tamaño, la flexibilidad y la frecuencia de aleteo determinaban que el aparato volara como un ave o terminara comportándose como una máquina incapaz de dominar ninguno de los dos entornos.
La maniobra más difícil no era entrar en el agua, sino conseguir salir © John Freidah. Zambullirse resultaba relativamente sencillo. Bastaba con orientar la cola, dirigir el morro hacia abajo y continuar batiendo las alas. El verdadero desafío aparecía al regresar a la superficie, donde el robot debía vencer la resistencia del agua, atravesar la tensión superficial y generar sustentación antes de volver a caer.
Las pruebas comenzaron dentro de un tanque y continuaron en el lago Lemán, en Suiza. Los investigadores colocaron el robot aproximadamente medio metro bajo la superficie y combinaron diferentes alas, frecuencias de movimiento y posiciones de la cola. La configuración más fiable empleó las alas intermedias, de 80 centímetros, y unos cinco aleteos por segundo. Con ese ajuste, el prototipo alcanzó casi un metro por segundo bajo el agua y alrededor de seis metros por segundo en el aire, unos 21,6 kilómetros por hora.
Las cifras se aproximan a las velocidades y frecuencias de movimiento observadas en algunas aves buceadoras, aunque el propósito del experimento no era ganar una carrera, sino encontrar una única mecánica capaz de funcionar a ambos lados de la superficie. El detalle decisivo apareció en la inclinación . Para salir, el aparato necesita elevarse formando un ángulo cercano a 70 grados. Esa posición evita que los extremos de las alas golpeen el agua mientras intentan completar el aleteo.
Una inclinación mayor tampoco sirve: el robot pierde estabilidad y cae hacia atrás. Lo llamativo es que consigue despegar sin utilizar patas. Muchos patos, frailecillos y otras aves golpean o empujan la superficie con ellas para obtener el impulso inicial. Los ingenieros sospechaban que tendrían que añadir algún mecanismo equivalente, pero las pruebas demostraron que una combinación precisa de alas, frecuencia y ángulo podía sustituirlo.
Un robot que podría visitar un iceberg, recoger una muestra y regresar volando La primera utilidad del FAAV es científica: funciona como una especie de ave artificial con la que estudiar cómo cambian las fuerzas, los movimientos y la flexibilidad de las alas al pasar de un medio a otro. Al modificar sus componentes de manera controlada, los investigadores pueden analizar comportamientos que serían mucho más difíciles de medir directamente en un animal. Sin embargo, el proyecto apunta hacia algo más ambicioso. Raphael Zufferey, autor principal del estudio y responsable del laboratorio AURA del MIT , imagina estos robots despegando desde la costa o desde un barco, volando hasta un iceberg, una instalación portuaria o un grupo de ballenas y sumergiéndose para recoger mediciones o muestras.
Después podrían regresar por el aire, entregar los datos y repetir la operación varias veces durante el mismo día. Un aparato pequeño permitiría acercarse a lugares peligrosos o poco accesibles sin desplegar grandes buques oceanográficos para cada observación. El laboratorio pretende desarrollar sistemas discretos y de bajo coste que puedan vigilar ecosistemas acuáticos, estudiar la erosión costera, controlar poblaciones de peces o detectar proliferaciones de algas con una frecuencia mucho mayor que los métodos tradicionales. Antes tendrá que superar problemas bastante terrenales.
El prototipo necesita alas capaces de girar lateralmente, no solo de subir y bajar, y aún debe demostrar que puede atravesar olas agitadas, corrientes y viento sin perder el control. Pero ya ha resuelto la transición que justificaba todo el proyecto: entrar en el agua y abandonarla usando prácticamente el mismo cuerpo. Los ingenieros buscaban un dron que también supiera nadar. La respuesta no estaba en colocarle más hélices, motores o mecanismos, sino en observar a unos animales que llevan toda su historia despegando desde un lugar en el que, sobre el papel, ningún vehículo volador debería sentirse cómodo.