Drones de guerra imitan el vuelo de colibríes

Los colibríes volando por el jardín de flor en flor y sorbiendo néctar probablemente no parezcan, a primera vista, modelos de instrumentos de guerra.

Pero estos diminutos pájaros zumbadores son acróbatas aéreos incomparables, potencia en miniatura, que se mueven instantáneamente hacia adelante y hacia atrás, se lanzan en picado y vuelven a elevarse, cabecean, giran y bostezan, e incluso vuelan cabeza abajo.

Sus sofisticadas capacidades de vuelo han captado la atención de los diseñadores de robots, especialmente de aquellos que estudian el uso de drones en la guerra moderna.

“Los colibríes son los mejores voladores que existen”, dijo Bret Tobalske, profesor de biología y director del Laboratorio de Vuelo de la Universidad de Montana. “Son extremos en su fisiología y desempeño de vuelo. Son increíblemente maniobrables. Son capaces de flotar indefinidamente”, una adaptación impulsada por su amor por el néctar rico en energía.

A medida que los vehículos sin tripulación se apoderan de los cielos en los conflictos, los colibríes se han convertido en el tema de nuevas investigaciones . El Laboratorio de Vuelo, acostumbrado a estudiar la ecología, la evolución y la biomecánica del vuelo de las aves, forma parte de un amplio esfuerzo, financiado en gran medida con dólares de defensa de Estados Unidos, para construir un mejor colibrí robótico. Imitar a estas aves altamente adaptadas (un fenómeno conocido como tecnología bioinspirada) es el santo grial para los creadores de robots voladores.

“Un colibrí real puede volar en círculos alrededor de colibríes robóticos”, dijo el Dr. Tobalske. “También pueden volar en círculos alrededor de pájaros reales”.

Se han construido robots colibrí (el más famoso es el NanoHummingbird, construido por AeroVironment, una empresa privada, con financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA)), pero tienen innumerables limitaciones.

“Ninguno de estos robots puede volar a gran velocidad”, afirma el Dr. David Letink, profesor de Biomimética en la Universidad de Groningen (Países Bajos), que lleva décadas estudiando y construyendo robots voladores. “Eso solo lo pueden hacer robots más grandes”.

El diseño de aeronaves se ha basado desde hace mucho tiempo en el vuelo de las aves .

Numerosos laboratorios de vuelo de todo el mundo estudian varios tipos de criaturas (esfingolíparas, libélulas, murciélagos y colibríes) para examinar los secretos de sus habilidades de vuelo y construir mejores máquinas. Gran parte de este trabajo está financiado por agencias de defensa, con el objetivo de utilizar el conocimiento para diseñar mejores aeronaves.

El trabajo en el Laboratorio de Vuelo de Montana está financiado por la Oficina de Investigación Naval, parte del Departamento de Defensa, en virtud de un contrato por un total de poco más de 660.000 dólares, parte de los 2 millones de dólares durante siete años que se asignaron a instituciones para estudiar las aves. El Departamento de Defensa no respondió a las solicitudes de comentarios.

Es posible que un robot basado en un colibrí no porte armas, sino que podría ser desplegado para explorar las calles delante de las tropas, espiar los movimientos de las tropas o ser enviado a buscar soldados heridos en lugares donde los humanos no pueden ir, como dentro de un edificio derrumbado o un túnel.

Curiosamente, los insectos han desarrollado un método de vuelo muy distinto al de los pájaros y los murciélagos, cuyas alas se originaron a partir de brazos. No tienen músculos ni nervios en las alas; en cambio, algunos tienen un sofisticado sistema de poleas accionado por músculos internos en una bisagra que controla las alas de un modo similar a los hilos de una marioneta.

“La bisagra del ala de la mosca es quizás la estructura más misteriosa y subestimada en la historia de la vida”, dice Michael Dickinson, profesor de bioingeniería y aeronáutica en el Instituto de Tecnología de California, quien recientemente publicó un artículo sobre el tema.

Debido a que los polinizadores son esenciales para el crecimiento de las plantas, dijo, “si los insectos no hubieran desarrollado esta articulación tan improbable para batir sus alas, el mundo sería un lugar muy diferente, sin plantas con flores y criaturas familiares como pájaros, murciélagos y probablemente humanos”.

Los colibríes tienen sus propios atributos improbables. Aunque son pequeños (sostenerlos en brazos es como sostener un pañuelo de papel), el colibrí tiene ágiles comportamientos aéreos que son “enormemente ricos y complejos”, dijo el Dr. Tobalske.

Las alas de muchos colibríes baten unas 50 veces por segundo, más que cualquier ave; en cambio, las alas de una paloma baten nueve veces por segundo. El corazón de un colibrí, del tamaño de un guisante, late 1.200 veces por minuto cuando el ave está activa. El corazón humano, en cambio, late entre 60 y 100 veces por minuto.

Las aves también son engañosamente fuertes. “Los colibríes tienen más potencia gramo por gramo que cualquier otro vertebrado”, afirmó el Dr. Tobalkse.

Los investigadores se centran principalmente en el colibrí calíope, que pesa menos que dos sujetapapeles. Sin embargo, cada otoño, el colibrí calíope recorre una ruta migratoria extremadamente peligrosa a través del viento, la lluvia y la nieve desde el noroeste del Pacífico hasta el sur de México.

Gran parte de la ecología de los colibríes es un misterio, en gran medida porque son aves demasiado pequeñas para los dispositivos de rastreo, aunque se sabe que son muy transitorias, dijo el Dr. Tobalske. “Pasan tres meses viajando hacia el sur y tres meses viajando nuevamente hacia el norte”.

Los investigadores también estudian los colibríes rufo y de barbilla negra.

Existen cerca de 370 especies de colibríes en el mundo, que se encuentran únicamente en América del Norte y del Sur. Cuando los exploradores españoles llegaron por primera vez a América del Sur, quedaron encantados con estas aves iridiscentes de colores brillantes que flotaban en el aire y las llamaron joyas voladoras.

A pesar del tiempo y la financiación que se han invertido en intentar comprender plenamente la compleja dinámica del vuelo del Hummer, sigue siendo difícil llegar a una comprensión completa.

Hace una década, un grupo de investigadores llevó un laboratorio móvil a la Amazonia peruana, Costa Rica y los Andes ecuatorianos. Estudiaron 200 colibríes y rastrearon 330.000 maniobras en su hábitat natural.

Paolo Segre, profesor asistente de la Universidad de Wisconsin, Green Bay, y Roslyn Dakin, profesora asociada de la Universidad de Carleton, dividieron las maniobras en tres categorías: subir y bajar el vehículo, acelerar y frenar, y giros complejos y bruscos para desviarse en una dirección diferente.

Uno de sus descubrimientos, contraintuitivo, fue que los colibríes más grandes pueden maniobrar más fácilmente que los pájaros más pequeños porque tienen más masa muscular y un tamaño de alas mayor en proporción a sus cuerpos.

Un aspecto de la destreza de vuelo del ave es la forma en que aprovecha la inercia de los empujes de las alas para impulsar sus maniobras extraordinariamente ágiles.

El Dr. Tobalske y una estudiante de doctorado, Rosalee Elting, han pasado años estudiando las maniobras de escape del colibrí : cómo huye rápidamente de los depredadores.

(Aunque también mostró una foto de un colibrí cuyos intentos de escapar fracasaron: una mantis religiosa que esperaba en un comedero capturó y devoró al ave).

Para estudiar los comportamientos de escape, el Dr. Tobalske y la Sra. Elting se acercaron a un pájaro encerrado en plexiglás transparente para asustarlo. Mientras huía, grabaron videos a una velocidad extremadamente alta con cámaras desarrolladas por el Pentágono para filmar y estudiar explosiones de municiones. Eso permite a los investigadores reducir la velocidad de los videos para analizar los componentes más pequeños del vuelo en alta resolución.

Los pájaros, al escapar, se elevan y luego giran y se alejan del comedero, y luego se inclinan hacia abajo y se van volando. “Esto sucede en 120 milisegundos, es decir, en muy poco tiempo”, dijo Elting.

Recientemente se embarcó en un proyecto separado para desentrañar las maniobras que ocurrieron durante las batallas entre colibríes machos mientras se defendían de los invasores que se acercaban a las flores y comederos en su territorio.

Los pájaros son increíblemente agresivos. “Cada vez que usan el comedero, ahuyentan a alguien cinco veces”, dijo.

Se han identificado cuatro maniobras de batalla distintas mientras las aves vuelan: perseguir y hacer señales (como si atacaran a un invasor), enfrentarse, volar en espiral y hacer justas.

Un aspecto del estudio de cómo vuelan los colibríes implica medir la velocidad, la presión y la viscosidad del aire que fluye alrededor de las alas batientes del colibrí y que sustentan el vuelo. Las ecuaciones que explican este fenómeno son tan complejas que una supercomputadora necesita semanas para diseñar un modelo de las fuerzas aerodinámicas.

Los cuerpos de las aves, especialmente las alas y las colas, se transforman repetidamente y experimentan numerosos cambios mientras vuelan.

Esa complejidad es difícil de reproducir. Para los diseñadores de robots, “el mayor desafío es cambiar la forma del ala y la cola como lo hace un pájaro”, dijo el Dr. Letink.

“Esto no ha sido realmente descifrado por los ingenieros”, dijo. “Hacer que la forma del ala cambie como se ve en un pájaro, no solo el movimiento de barrido, sino también el movimiento de torsión y plegado, hacer todo eso es muy difícil para un ingeniero”.

Otra dificultad es recrear las filoplumas que proporcionan información sensorial: las diminutas plumas con forma de palmera que monitorean la velocidad del viento, la temperatura y el estado de las plumas y luego envían esa información al cerebro del ave.

Aunque muchos estudios examinaron los movimientos de las alas, el diminuto cerebro que impulsa estas habilidades de vuelo sigue siendo en gran medida una caja negra. Un estudio reciente descubrió que las neuronas de los colibríes son más sensibles a los estímulos que las de otras especies, lo que les ayuda a procesar objetos más rápido y les permite volar con agilidad.