Ingenieros de Stanford Crean un Robot Inspirado en Aves que se Posee con Precisión

Al igual que los copos de nieve, no hay dos ramas iguales. Pueden diferir en tamaño, forma y textura; algunas pueden estar húmedas, cubiertas de musgo o repletas de ramificaciones. Y, sin embargo, las aves pueden posarse en casi cualquiera de ellas. Esta capacidad despertó gran interés en los laboratorios de los ingenieros de la Universidad de Stanford, Mark Cutkosky y David Lentink —este último ahora en la Universidad de Groningen, Países Bajos—, que han desarrollado tecnologías inspiradas en habilidades animales.

“No es fácil imitar cómo vuelan y se posan las aves”, dijo William Roderick, PhD ’20, quien fue estudiante de doctorado en ambos laboratorios. “Después de millones de años de evolución, hacen que el despegue y el aterrizaje parezcan sencillos, incluso entre toda la complejidad y variabilidad de las ramas de los árboles que se encuentran en un bosque.”

Años de estudio sobre robots inspirados en animales en el Laboratorio Cutkosky y sobre robots aéreos inspirados en aves en el Laboratorio Lentink permitieron a los investigadores construir su propio robot posadero. Cuando se acopla a un dron cuadricóptero, su “agarre aéreo estereotipado inspirado en la naturaleza” (SNAG, por sus siglas en inglés) forma un robot que puede volar, atrapar y transportar objetos, y posarse en diversas superficies. Demostrando la versatilidad potencial de este trabajo, los investigadores lo utilizaron para comparar diferentes tipos de arreglos de dedos en aves y para medir microclimas en un remoto bosque de Oregón.

En estudios previos de los investigadores con periquitos —la segunda especie de loro más pequeña—, las diminutas aves volaban de ida y vuelta entre posaderos especiales, mientras eran grabadas por cinco cámaras de alta velocidad. Los posaderos —que representaban una variedad de tamaños y materiales, como madera, espuma, papel de lija y teflón— también contenían sensores que capturaban las fuerzas físicas asociadas con los aterrizajes, posaderos y despegues de las aves.

“Lo que nos sorprendió fue que realizaban las mismas maniobras aéreas, sin importar en qué superficies aterrizaban”, dijo Roderick, autor principal del artículo. “Dejan que sus patas manejen la variabilidad y complejidad de la textura de la superficie”. Este comportamiento fórmula observado en cada aterrizaje de ave es por lo que la “S” en SNAG significa “estereotipado”.

Al igual que los periquitos, SNAG se acerca a cada aterrizaje de la misma manera. Pero, para tener en cuenta el tamaño del cuadricóptero, SNAG se basa en las patas de un halcón peregrino. En lugar de huesos, tiene una estructura impresa en 3D —que requirió 20 iteraciones para perfeccionarse— y motores e hilo de pescar sustituyen a músculos y tendones.

Cada pata tiene su propio motor para moverse hacia adelante y atrás y otro para manejar el agarre. Inspirado en la forma en que los tendones rodean el tobillo en las aves, un mecanismo similar en la pata del robot absorbe la energía del impacto del aterrizaje y la convierte pasivamente en fuerza de agarre. El resultado es que el robot tiene un embrague especialmente fuerte y de alta velocidad que puede cerrarse en 20 milisegundos. Una vez envuelto alrededor de una rama, los tobillos de SNAG se bloquean y un acelerómetro en el pie derecho informa que el robot ha aterrizado y activa un algoritmo de equilibrio para estabilizarlo.

Durante la COVID-19, Roderick trasladó equipo, incluida una impresora 3D, del laboratorio de Lentink en Stanford a la zona rural de Oregón, donde instaló un laboratorio en un sótano para pruebas controladas. Allí, lanzó SNAG a lo largo de un sistema de rieles que propulsaba al robot contra diferentes superficies, a velocidades y orientaciones predefinidas, para ver cómo funcionaba en diversos escenarios. Con SNAG fijado en su lugar, Roderick también confirmó la capacidad del robot para atrapar objetos lanzados a mano, incluyendo un señuelo de presa, una bolsa de judías para cornhole y una pelota de tenis. Finalmente, Roderick y SNAG se aventuraron en el bosque cercano para algunas pruebas en el mundo real.

En general, SNAG funcionó tan bien que los próximos pasos en el desarrollo probablemente se centrarán en lo que ocurre antes del aterrizaje, como mejorar la conciencia situacional y el control de vuelo del robot.

Aplicaciones

Existen innumerables aplicaciones posibles para este robot, incluyendo búsqueda y rescate y monitoreo de incendios forestales; también puede acoplarse a tecnologías distintas a los drones. La proximidad de SNAG a las aves también permite obtener información única sobre la biología aviar. Por ejemplo, los investigadores probaron el robot con dos arreglos de dedos diferentes —anisodáctilo, que tiene tres dedos adelante y uno atrás, como el halcón peregrino, y zigodáctilo, que tiene dos adelante y dos atrás, como el periquito. Descubrieron, para su sorpresa, que había muy poca diferencia de rendimiento entre los dos.

Para Roderick, cuyos padres son biólogos, una de las aplicaciones más emocionantes de SNAG es la investigación ambiental. Con ese fin, los investigadores también acoplaron un sensor de temperatura y humedad al robot, que Roderick utilizó para registrar el microclima en Oregón.

“Parte de la motivación subyacente de este trabajo era crear herramientas que pudiéramos usar para estudiar el mundo natural”, dijo Roderick. “Si pudiéramos tener un robot que actuara como un ave, eso podría abrir formas completamente nuevas de estudiar el medio ambiente.”