Investigadores de la Universidad de Washington desarrollaron pequeños dispositivos robóticos que pueden cambiar la forma en que se mueven en el aire “encajándolos” en una posición plegada durante su descenso. Aquí se muestra una fotografía a intervalos del “microflier” cayendo en su estado desplegado, lo que lo hace girar caóticamente y extenderse hacia afuera con el viento. Foto de Mark Stone/Universidad de Washington
Por Roger Van Scyoc
En una tarde fresca en el corazón del campus de la Universidad de Washington, el otoño, por unos momentos fugaces, parece haber llegado temprano. Pequeños cuadrados dorados que se asemejan a hojas revolotean y luego caen, pasando de una caída frenética a un elegante descenso con un chasquido.
Acertadamente llamados “microfliers” e inspirados en Miura-pliegue Origami, estos pequeños dispositivos robóticos pueden cerrarse durante su descenso después de ser arrojados desde un dron. Esta acción de “chasquido” cambia la forma en que se dispersan y puede, en el futuro, ayudar a cambiar la forma en que los científicos estudian la agricultura, la meteorología, el cambio climático y más.
“En la naturaleza, las hojas y las semillas se dispersan de una sola manera”, dijo kyle johnsonun doctorado de la Escuela Allen. estudiante y primer coautor del documento sobre el tema publicado en Robótica científica. “Lo que pudimos lograr fue una estructura que en realidad puede actuar de dos maneras diferentes”.
Cuando están abiertos, los dispositivos caen caóticamente, imitando el descenso de una hoja de olmo. Cuando se cierran, caen de una manera más estable, reflejando cómo una hoja de arce cae de una rama. A través de varios métodos (sensor de presión integrado, temporizador o una señal Bluetooth), los investigadores pueden controlar cuándo los dispositivos pasan de abiertos a cerrados y, al hacerlo, manipular hasta qué punto se dispersan en el aire.
¿Cómo podrían lograr esto? Leyendo entre líneas.
“El pliegue de origami Miura-ori, inspirado en patrones geométricos que se encuentran en las hojas, permite la creación de estructuras que pueden ‘cambiar’ entre un estado plano y otro más plegado”, dijo el coautor principal. Vikram Iyerprofesor de la Escuela Allen y codirector del Computación para el medio ambiente (CS4Env) iniciativa. “Debido a que solo se necesita energía para cambiar entre estados, comenzamos a explorar esto como una forma energéticamente eficiente de cambiar el área de superficie en el aire, con la intuición de que abrir o cerrar un paracaídas cambiará la velocidad de caída de un objeto”.
Esa eficiencia energética es clave para poder operar sin baterías y reducir el tamaño y peso de los volantes. Equipados con un actuador sin batería y un circuito de recolección de energía photo voltaic, los microaviones cuentan con características de ahorro de energía que no se ven en sus homólogos más grandes y pesados que funcionan con baterías, como los drones. Sin embargo, son lo suficientemente robustos como para transportar sensores para una serie de métricas, incluidas la temperatura, la presión, la humedad y la altitud. Más allá de medir las condiciones atmosféricas, los investigadores dicen que una crimson de estos dispositivos podría ayudar a pintar una imagen del crecimiento de los cultivos en tierras de cultivo o detectar fugas de gasoline cerca de los centros de población.
“Este enfoque abre un nuevo espacio de diseño para los microvoladores mediante el uso de origami”, dijo Shyam Gollakotaprofesor titular Thomas J. Cable en la Escuela Allen y director de la escuela Laboratorio de inteligencia móvil quien también fue coautor principal. “Esperamos que este trabajo sea el primer paso hacia una visión futura para crear una nueva clase de viajeros y modalidades de vuelo”.
Con un peso de menos de medio gramo, los microvoladores requieren menos materials y cuestan menos que los drones. También ofrecen la posibilidad de ir a lugares demasiado peligrosos para que un humano ponga un pie.
Por ejemplo, dijo Johnson, se podrían desplegar microfliers para rastrear incendios forestales. Actualmente, los equipos de extinción de incendios a veces descienden en rápel hasta el lugar donde se está propagando el fuego. Los microfliers podrían ayudar a mapear hacia dónde puede dirigirse un incendio y dónde es mejor arrojar una carga útil de agua. Además, el equipo está trabajando para hacer que más componentes del dispositivo sean biodegradables en caso de que no puedan recuperarse después de su lanzamiento.
“Hay mucho trabajo por hacer para que estos circuitos sean más sostenibles”, dijo Vicente Arroyosotro doctorado de la Escuela Allen. estudiante y primer coautor del artículo. “Podemos aprovechar nuestro trabajo con materiales biodegradables para hacerlos más sostenibles”.
Además de mejorar la sostenibilidad, los investigadores también abordaron desafíos relacionados con la estructura del propio dispositivo. Los primeros prototipos carecían de raíces de fibra de carbono que proporcionaran la rigidez necesaria para evitar transiciones accidentales entre estados.
El equipo de investigación se inspiró en las hojas de olmo y arce para diseñar los microvoladores. Cuando están abiertos, los dispositivos caen caóticamente, de forma comparable a como una hoja de olmo cae de una rama. Cuando se “encajan” en una posición plegada, como se muestra aquí, descienden de una manera más estable y recta hacia abajo, como una hoja de arce. Foto de Mark Stone/Universidad de Washington
Al recolectar hojas de arce y olmo fuera de su laboratorio, los investigadores notaron que, si bien sus estructuras de origami exhibían la biestabilidad necesaria para cambiar entre estados, se flexionaban con demasiada facilidad y no tenían la venación que se ve en el follaje encontrado. Para obtener un management más detallado, siguieron otra señal del entorno.
“Volvimos a mirar a la naturaleza para hacer las caras del origami planas y rígidas, agregando un patrón en forma de vena a la estructura usando fibra de carbono”, dijo Johnson. “Después de esa modificación, ya no vimos que gran parte de la energía que ingresamos se disipara en las caras del origami”.
En whole, los investigadores estiman que el desarrollo de su diseño llevó unos dos años. Todavía hay espacio para crecer, agregaron, señalando que los microvoladores actuales solo pueden pasar de abiertos a cerrados. Dijeron que los diseños más nuevos, al ofrecer la capacidad de alternar entre estados, pueden ofrecer más precisión y flexibilidad en cuanto a dónde y cómo se utilizan.
Durante las pruebas, cuando se dejaron caer desde una altitud de 40 metros, por ejemplo, los microvoladores podían dispersarse hasta distancias de 98 metros con una ligera brisa. Mayores mejoras podrían aumentar el área de cobertura, permitiéndoles seguir trayectorias más precisas al tener en cuenta variables como el viento y las condiciones inclementes.
Relacionado con su trabajo anterior con sensores inspirados en el diente de leónlos microvoladores de origami se basan en el objetivo más amplio de los investigadores de crear una Web de cosas bioinspiradas. Mientras que los dispositivos inspirados en el diente de león presentaban un vuelo pasivo, que reflejaba la forma en que las semillas del diente de león se dispersan con el viento, los microvoladores de origami funcionan como sistemas robóticos completos que incluyen accionamiento para cambiar su forma, transmisión inalámbrica activa y bidireccional a través de una radio a bordo, y computación y detección a bordo para activar de forma autónoma cambios de forma al alcanzar una altitud objetivo.
“Este diseño también puede acomodar sensores y carga útil adicionales debido a su tamaño y capacidades de recolección de energía”, dijo Arroyos. “Es emocionante pensar en el potencial sin explotar de estos dispositivos”.
En otras palabras, el futuro está tomando forma rápidamente.
“El origami está inspirado en la naturaleza”, añadió Johnson, sonriendo. “Estos patrones están a nuestro alrededor. Sólo tenemos que buscar en el lugar correcto”.
El proyecto fue un trabajo interdisciplinario realizado por un equipo de toda la Universidad de Washington. Los coautores del artículo también incluyeron Amélie Ferránun doctorado. estudiante en el departamento de ingeniería mecánica, así como Raúl VillanuevaDennis Yin y Tilboon Elberierquienes contribuyeron como estudiantes universitarios de ingeniería eléctrica e informática, y profesores de ingeniería mecánica. Alberto Aliseda y Sawyer Fuller.
Johnson y Arroyos, quienes cofundaron y actualmente dirigen la organización educativa sin fines de lucro. AVELA: una visión para la alfabetización y el acceso a la ingenieríay sus compañeros de equipo han realizado esfuerzos de divulgación en escuelas Ok-12 del estado de Washington relacionados con la investigación, incluso mostrando a los estudiantes cómo crear su propia estructura de origami de hojas biestables usando una hoja de papel. Verificar un vídeo de demostración relacionado aquíy aprende más sobre el proyecto microflier aquí y en un relacionado Comunicado de prensa de la Universidad de Washington y Historia de GeekWire.
La Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Paul G. Allen es parte de la Universidad de Washington.
