En la naturaleza, cuando un pájaro, un insecto o un murciélago levantan el vuelo, parece sencillo y sin esfuerzo. Sin embargo, comprender cómo estos animales generan sustentación y se desplazan por el aire resulta mucho más complejo. El profesor adjunto David Lentink dirige un grupo de investigadores licenciados de la Universidad de Stanford que utilizan los sensores de fuerza/par de ATI para desentrañar este misterio. El equipo ha inventado una denominada “plataforma de fuerza aerodinámica” para medir las fuerzas aerodinámicas durante experimentos de vuelo libre con aves bien entrenadas. Los experimentos se realizan in vivo, que en latín significa “dentro de lo vivo” e indica que el experimento es paralelo al comportamiento natural. Además, el nuevo método es “sin contacto” y permite al ave volar libremente sin ningún tipo de carga instrumental, lo que lo hace excepcionalmente respetuoso con los animales.
La investigación del vuelo abarca el estudio de la estructura de las alas, sus movimientos y sus interacciones con el aire. De especial interés son las fuerzas que generan los animales durante el vuelo para mantenerse en el aire y realizar diversas maniobras. Anteriormente, estas fuerzas tenían que medirse indirectamente basándose en modelos teóricos y campos de flujo medidos, o atando a los animales a un sistema sensor. Sin embargo, las ataduras no pueden utilizarse con animales de orden superior, como las aves, sobre todo porque perturbarían su bienestar y su comportamiento natural de vuelo. Desde el punto de vista científico, un método de medición de fuerzas con ataduras no refleja lo que ocurre realmente cuando los animales vuelan, lo que da lugar a modelos engañosos e inexactos del comportamiento de vuelo. El equipo de Lentink investigó tres modelos de uso común y obtuvo resultados decepcionantes. “Los tres funcionaron peor de lo que esperábamos y no predijeron la sustentación de forma fiable, lo que demuestra que hay que trabajar para mejorar los modelos”, informa Diana Chin, estudiante de posgrado de Stanford.
Plataforma de fuerza aerodinámica (AFP) de Stanford con sensores de fuerza/par ATI Nano43 montados en la parte superior e inferior
Uno de los expertos en vuelo de Stanford es un lorito del Pacífico llamado Obi. Como todos los demás pájaros del laboratorio Lentink, Obi fue adiestrado únicamente con refuerzo positivo, para que volara cuando se le indicara. En experimentos anteriores, Obi voló a través de una lámina de láser saturada de pequeñas partículas de niebla mientras llevaba puestas unas gafas de seguridad para láser hechas a medida. Las gafas fueron diseñadas por el antiguo estudiante Eric Gutiérrez y se utilizaron para mantener a salvo a Obi durante la prueba de vuelo. Gutiérrez pudo reconstruir el campo de flujo alrededor de las alas de Obi registrando el movimiento de las partículas, en respuesta al batir de las alas del ave, con cámaras de alta velocidad. Combinó estas mediciones del campo de flujo con modelos aerodinámicos de uso común para obtener estimaciones instantáneas de la fuerza. Estas estimaciones se compararon después con mediciones directas realizadas durante un conjunto separado de vuelos de loritos dentro de la Plataforma de Fuerza Aerodinámica. Las comparaciones revelaron la escasa capacidad de predicción de los modelos habituales, lo que pone aún más de relieve el valor de los métodos de medición directa de la fuerza.
Dado que se sabe tan poco sobre las fuerzas aerodinámicas generadas durante el vuelo, el equipo de investigación de Stanford se enfrentó a una tarea de enormes proporciones: necesitaban una forma de capturar fuerzas de sustentación pequeñas, pero dinámicamente cambiantes, sin utilizar ataduras. Era imperativo crear un entorno más natural en el que pudieran entrenar a un animal para que volara y observar las fuerzas generadas por el batir de sus alas. Estos objetivos se convirtieron en el catalizador de la Plataforma de Fuerza Aerodinámica y, en última instancia, condujeron al desarrollo de los nuevos experimentos in vivo, que por primera vez midieron directamente la sustentación generada por un animal volador.
La Plataforma de Fuerza Aerodinámica (AFP) es una cámara de vuelo cerrada que cuenta con los Sensores de Fuerza/Torque Nano43 de ATI montados en la parte superior e inferior. Durante los vuelos en la AFP, el batir de las alas genera cambios de presión en el aire que los sensores Nano43 de ATI traducen en mediciones de fuerza aerodinámica. Chin indica: “La sensibilidad y precisión de los sensores Nano43 eran ideales para medir las pequeñas fuerzas generadas por las aves en la Plataforma de Fuerza Aerodinámica, y la rápida tasa de muestreo era necesaria para resolver las fuerzas dentro de los batidos de las alas.” Los sensores ATI F/T proporcionan información sobre la fuerza desde seis ejes diferentes y registran los cambios a medida que se producen, que en este caso es a velocidades muy altas. Los resultados de estos experimentos ofrecen una visión más completa de los cambios dinámicos de presión durante el vuelo, algo que antes no era posible.
La integración por Stanford de los sensores de fuerza/par de ATI con la plataforma de fuerza aerodinámica permite obtener datos más precisos de cada prueba de vuelo. La PFA es un gran avance para el equipo y para la investigación del vuelo; la combinación de esta nueva tecnología con experimentos in vivo proporciona una visión más profunda de la mecánica del vuelo animal. Lentink, Chin, Gutiérrez y el resto del equipo han sacado conclusiones más fundamentadas sobre el vuelo de las aves que harán avanzar la tecnología de los robots voladores. Con estas técnicas, el equipo desarrollará robots biomiméticos que puedan ayudar en misiones de búsqueda y rescate, realizar tareas de vigilancia en condiciones peligrosas o incluso entregar suministros médicos.
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Sensor de fuerza/par de seis ejes modelo Nano43
