Los robots especializados, capaces de volar y conducir, suelen aterrizar antes de intentar transformarse y alejarse.
Sin embargo, cuando el terreno de aterrizaje es accidentado, estos robots a veces se atascan y no pueden seguir operando. Ahora, un equipo de ingenieros de Caltech ha desarrollado un Transformer real con la capacidad de transformarse en el aire, lo que permite que el robot, similar a un dron, se aleje rodando suavemente y comience sus operaciones terrestres sin interrupciones. La mayor agilidad y robustez de estos robots podría ser especialmente útil para sistemas de reparto comerciales y exploradores robóticos.
El nuevo robot, denominado ATMO (morfobot de transformación aérea), utiliza cuatro propulsores para volar, pero las cubiertas que los protegen se convierten en las ruedas del sistema en una configuración de conducción alternativa. Toda la transformación se basa en un solo motor que mueve una articulación central que eleva los propulsores de ATMO al modo dron o los baja al modo de conducción.
Los investigadores describen el robot y el sofisticado sistema de control que lo impulsa en un artículo publicado recientemente en la revista Communications Engineering .
«Diseñamos y construimos un nuevo sistema robótico inspirado en la naturaleza, en la forma en que los animales pueden usar sus cuerpos de diferentes maneras para lograr distintos tipos de locomoción», afirma Ioannis Mandralis (Maestría en Ciencias ’22), estudiante de posgrado en aeroespacial en Caltech y autor principal del nuevo artículo. Por ejemplo, explica, las aves vuelan y luego modifican su morfología corporal para reducir la velocidad y evitar obstáculos. «La capacidad de transformarse en el aire abre un amplio abanico de posibilidades para una mayor autonomía y robustez», añade Mandralis.
Pero la transformación en el aire también plantea desafíos. Fuerzas aerodinámicas complejas intervienen tanto porque el robot está cerca del suelo como porque cambia de forma a medida que se transforma.
«Aunque parezca simple al observar a un pájaro aterrizar y luego correr, en realidad se trata de un problema que la industria aeroespacial lleva luchando durante probablemente más de 50 años», afirma Mory Gharib (doctorado en 1983), profesor Hans W. Liepmann de Aeronáutica e Ingeniería Médica, director y titular de la Cátedra de Liderazgo Booth-Kresa del Centro de Sistemas y Tecnologías Autónomas (CAST) de Caltech, y director de los Laboratorios Aeroespaciales de Posgrado del Instituto Tecnológico de California (GALCIT). Todos los vehículos voladores experimentan fuerzas complejas cerca del suelo. Pensemos en un helicóptero, por ejemplo. Al aterrizar, sus propulsores impulsan una gran cantidad de aire hacia abajo. Cuando ese aire toca el suelo, una parte rebota; si el helicóptero aterriza demasiado rápido, puede ser absorbido por un vórtice formado por ese aire reflejado, lo que provoca que el vehículo pierda sustentación.
En el caso de ATMO, la dificultad es aún mayor. El robot no solo debe lidiar con complejas fuerzas cercanas al suelo, sino que también cuenta con cuatro chorros que alteran constantemente la distancia entre sí, lo que genera turbulencia e inestabilidad adicionales.
Para comprender mejor estas complejas fuerzas aerodinámicas, los investigadores realizaron pruebas en el laboratorio de drones de CAST. Utilizaron experimentos con células de carga para observar cómo el cambio de configuración del robot al aterrizar afectaba su fuerza de empuje. También realizaron experimentos de visualización de humo para revelar los fenómenos subyacentes que provocan dichos cambios en la dinámica.
Los investigadores incorporaron estos conocimientos al algoritmo de un nuevo sistema de control que crearon para ATMO. El sistema utiliza un método de control avanzado llamado control predictivo de modelos, que funciona prediciendo continuamente cómo se comportará el sistema en el futuro cercano y ajustando sus acciones para mantener su rumbo.
«El algoritmo de control es la mayor innovación de este artículo», afirma Mandralis. «Los cuadricópteros utilizan controladores específicos debido a la ubicación de sus propulsores y a su modo de vuelo. Aquí introducimos un sistema dinámico inédito. En cuanto el robot empieza a transformarse, se producen diferentes acoplamientos dinámicos: diferentes fuerzas que interactúan entre sí. Y el sistema de control debe ser capaz de responder rápidamente a todo ello».
Otros autores de Caltech del artículo «ATMO: Un morfobot que se transforma aéreamente para la transición dinámica tierra-aérea» son Reza Nemovi, ingeniero de diseño aeroespacial, y Richard M. Murray (licenciatura en 1985), profesor Thomas E. y Doris Everhart de Control y Sistemas Dinámicos y Bioingeniería. El coautor Alireza Ramezani, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Northeastern, actualmente es profesor visitante en el área aeroespacial de Caltech. El trabajo contó con el apoyo financiero del Centro de Sistemas y Tecnologías Autónomas de Caltech.
Caltech News. Traducido al español
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