Los investigadores dicen que los hallazgos podrían informar el diseño de robots tolerantes a fallas

Los investigadores descubrieron que las moscas de la fruta pueden compensar rápidamente las lesiones catastróficas de las alas, manteniendo la misma estabilidad después de perder hasta el 40% de un ala. Este resultado podría ser útil para diseñar robots versátiles, que enfrentan un desafío similar al tener que adaptarse rápidamente a los accidentes en el campo.

El equipo dirigido por Penn State publicó sus resultados hoy (18 de noviembre) en La ciencia avanza.

Para realizar el experimento, los investigadores cambiaron la longitud del ala de las moscas de la fruta anestesiadas, para imitar una lesión que pueden sufrir los insectos voladores. Luego suspendieron las moscas en un anillo de realidad virtual. Imitando lo que ven las moscas en vuelo, los investigadores ejecutaron imágenes virtuales en pantallas pequeñas en el anillo, haciendo que las moscas se movieran como si estuvieran volando.

«Descubrimos que las moscas compensan sus lesiones batiendo el ala dañada con más fuerza y ​​disminuyendo la velocidad del ala sana», dijo el autor correspondiente Jean-Michel Mongo, profesor asistente de ingeniería mecánica en Penn State. «Logran esto modulando las señales en su sistema nervioso, lo que les permite ajustar su vuelo incluso después de una lesión».

Al batir su ala dañada con más fuerza, las moscas de la fruta intercambian algo de rendimiento, que disminuye solo ligeramente, para mantener la estabilidad al aumentar efectivamente la amortiguación.

«Si conduces sobre asfalto, la fricción permanece entre los neumáticos y la superficie, y el auto es estable», dijo Mungo, refiriéndose a la amortiguación como fricción. «Pero en una carretera helada, hay menos fricción entre la carretera y los neumáticos, lo que provoca inestabilidad. En este caso, la mosca de la fruta, como conductor, aumenta la amortiguación con su sistema nervioso en un esfuerzo por aumentar la estabilidad».

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Los coautores Bo Cheng, Penn State Kenneth K. y Olivia J. Kuo, profesora asistente de ingeniería mecánica, señalan que la estabilidad es más importante que la fuerza para el rendimiento del vuelo.

«Bajo el daño del ala, tanto el rendimiento como la estabilidad se ven afectados; sin embargo, las moscas usan una ‘perilla interna’ que aumenta la amortiguación para mantener la estabilidad deseada, incluso si esto reduce aún más el rendimiento», dijo Cheng. “De hecho, se ha demostrado que es la estabilidad, más que la fuerza requerida, lo que limita la maniobrabilidad de las moscas”.

El trabajo de los investigadores sugiere que las moscas de la fruta, que tienen solo 200 000 neuronas en comparación con los 100 000 millones de los humanos, utilizan un sistema sofisticado y flexible para controlar el movimiento, lo que les permite adaptarse y sobrevivir a las lesiones.

«La complejidad que hemos descubierto aquí en las moscas no tiene paralelo en ningún sistema de ingeniería existente; la complejidad de la mosca es más compleja que la de los robots voladores actuales», dijo Mongo. «Todavía estamos muy lejos del lado de la ingeniería para tratar de replicar lo que vemos en la naturaleza, y este es solo otro ejemplo de lo lejos que tenemos que llegar».

Con entornos cada vez más complejos, los ingenieros enfrentan el desafío de diseñar robots que puedan adaptarse rápidamente a fallas o percances.

“Los insectos voladores pueden inspirar el diseño de robots y drones que puedan responder de manera inteligente al daño físico y mantener las operaciones”, dijo el coautor Wael Salem, candidato a doctorado en ingeniería mecánica en Penn State. «Por ejemplo, diseñar un dron que pueda compensar un motor roto en vuelo, o un robot de dos piernas que pueda confiar en sus otras piernas cuando una salga».

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Para estudiar el mecanismo por el cual las moscas compensan el daño de las alas durante el vuelo, los colaboradores de la Universidad de Colorado Boulder crearon un prototipo robótico de un ala mecánica, similar en tamaño y función a una mosca de la fruta. Los investigadores cortaron el ala mecánica, repitieron los experimentos de Penn State y probaron las interacciones entre las alas y el aire.

«Usando solo el modelo matemático, necesitamos hacer suposiciones simplificadas sobre la estructura del ala, el movimiento del ala y las interacciones entre el aire y el ala para que nuestros cálculos sean manejables», dijo el coautor Kaushik Jayaram, profesor asistente de ingeniería mecánica. en la Universidad de Colorado Boulder. «Pero con el modelo físico, nuestro modelo de robot interactúa con el mundo natural como una mosca, de acuerdo con las leyes de la física. Por lo tanto, esta configuración captura las complejidades de las complejas interacciones entre las alas y el aire que aún no comprendemos por completo».

Además de Mungo, Cheng, Salem y Jayram, los coautores incluyen a Benjamin Cellini, Departamento de Ingeniería Mecánica de Penn State; y Haiku Kabutz y Hare Krishna Hari Prasad, Universidad de Colorado Boulder.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y un Alfred B. Investigación Sloan.

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