Un microrobot que aletea inspirado en la dinámica de las alas de los escarabajos rinoceronte

4 de agosto de 2024

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

La dinámica alar de especies animales voladoras ha sido la inspiración para numerosos sistemas robóticos voladores. Mientras que las aves y los murciélagos generalmente baten sus alas utilizando la fuerza producida por sus músculos pectorales y alares, los procesos subyacentes a los movimientos alares de muchos insectos siguen siendo poco comprendidos.

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza) y la Universidad Konkuk (Corea del Sur) recientemente se propusieron explorar cómo los insectos herbívoros conocidos como escarabajos rinocerontes despliegan y retraen sus alas. La información que recopilaron, publicada en un artículo en Nature, se utilizó luego para desarrollar un nuevo microrobot batiente que puede desplegar y retraer pasivamente sus alas, sin necesidad de actuadores extensos.

"Se teóricamente cree que los insectos, incluidos los escarabajos, utilizan músculos torácicos para desplegar y retraer activamente sus alas en las bases de las mismas, de manera similar a las aves y los murciélagos", dijo Hoang-Vu Phan, el autor principal del artículo, a Tech Xplore. "Sin embargo, los métodos de registro o monitoreo de la actividad muscular todavía no pueden determinar qué músculos utilizan los escarabajos para desplegar y retraer sus alas ni explicar cómo lo hacen".

Las alas traseras de los escarabajos se asemejan a estructuras de origami plegables, ya que pueden plegarse ordenadamente y guardarse bajo los élitros (ala anterior endurecida que se encuentra comúnmente en los escarabajos) mientras descansan, y luego desplegarse pasivamente cuando vuelan. Muchos estudios pasados que replicaban la dinámica de las alas de los escarabajos en robots utilizaron estructuras similares al origami, sin prestar mucha atención a los movimientos en la base de las alas traseras.

"Esta investigación es un seguimiento de mi trabajo previo publicado en Science en 2020, donde descubrimos la función de absorción de impactos de las alas traseras de los escarabajos rinocerontes durante colisiones en vuelo", explicó Phan. "Durante los experimentos, capturé accidentalmente un despliegue completo de dos fases en las alas, y me pregunté por qué el escarabajo utiliza un procedimiento tan complejo si es impulsado por músculos activos".

En sus examinaciones previas de los escarabajos rinocerontes, Phan observó que estos insectos pueden aprovechar sus élitros y fuerzas de aleteo para desplegar pasivamente sus alas traseras para volar. Una vez que su vuelo ha terminado y aterrizan en una superficie, luego utilizan los élitros para empujar las alas traseras hacia su cuerpo. Ambas acciones son pasivas en naturaleza, ya que no implican el uso de músculos torácicos que sostienen el vuelo de aves y murciélagos.

"Al implementar este mecanismo pasivo en robots de alas batientes, demostramos por primera vez que, a diferencia de los robots de aleteo existentes que mantienen sus alas fijas en una configuración completamente extendida, nuestro robot puede plegar las alas a lo largo del cuerpo cuando está en reposo y desplegar pasivamente sus alas para despegar y mantener un vuelo estable", dijo Phan.

Los investigadores aprovecharon la información que adquirieron de su estudio de los escarabajos rinocerontes para construir un microrobot de alas batientes que pesa 18 gramos. Este microrobot, que es aproximadamente dos veces más grande que un escarabajo real, puede desplegar y retraer pasivamente sus alas.

"Para simplificar, utilizamos tendones elásticos instalados en las axilas que permiten al robot cerrar sus alas de manera pasiva", dijo Phan. "Al activar el movimiento de aleteo, el robot puede desplegar pasivamente sus alas para despegar y mantener un vuelo estable. Posteriormente, al detener el aleteo después de aterrizar, las alas pueden retraerse rápidamente y de manera pasiva hacia el cuerpo sin necesidad de actuadores adicionales".

El trabajo reciente de Phan y sus colegas reveló que los mecanismos subyacentes de cómo despliegan y retraen sus alas los escarabajos son pasivos y no dependen de los movimientos musculares. Luego, introdujo una estrategia viable para reproducir estos mecanismos en microrobots, aumentando así su similitud con los insectos.

"Nuestro robot con alas plegables puede ser utilizado para misiones de búsqueda y rescate en espacios confinados", dijo Phan. "Por ejemplo, puede entrar en un edificio colapsado donde los humanos no pueden acceder. Con su escala diminuta, el robot puede volar en espacios estrechos. Cuando el vuelo no es posible, el robot puede aterrizar o posarse en cualquier superficie, y luego cambiar a otros modos de locomoción como gatear".

Notablemente, cuando el microrobot del equipo está gateando, sus alas descansan a lo largo de su cuerpo, lo que reduce el riesgo de que se dañen al tiempo que mejora la movilidad del robot en espacios estrechos. Una vez que encuentra un buen lugar para despegar, el robot simplemente puede desplegar sus alas nuevamente y cambiar de nuevo a modo de vuelo.

'Nuestro robot aleteante también podría ayudar a los biólogos a estudiar la biomecánica del vuelo de los insectos y podría ser disfrazado como insectos espías para explorar la vida de los insectos reales en los bosques, para los cuales los drones convencionales de rotor no son aplicables', dijo Phan. 'Además, el robot aleteante podría ser utilizado para llevar a cabo investigaciones en ingeniería o como un juguete de ingeniería para niños, ya que su baja frecuencia de aleteo es muy segura y amigable para los humanos.'

Hasta ahora, Phan y sus colegas han evaluado el rendimiento de su microrobot en una serie de pruebas preliminares, que arrojaron resultados prometedores. En el futuro, su diseño podría ser mejorado aún más y probado en varias situaciones del mundo real, para validar aún más su potencial.

'En estudios futuros, sería interesante explorar si otros insectos, como moscas pequeñas, utilizan estrategias pasivas similares en el contexto de disponibilidad limitada de músculos', agregó Phan. 'También tenemos como objetivo mejorar el vuelo ágil de nuestro robot, e implementar capacidades de locomoción terrestre como posarse y gatear, similares a sus contrapartes biológicas.'

Más información: Hoang-Vu Phan et al, Passive wing deployment and retraction in beetles and flapping microrobots, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07755-9

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