Sámaras: Hacia el monocóptero inteligente

Muchos árboles al liberar y dispersar sus semillas las dejan caer creando “helicópteros naturales” que sorprenden por su belleza. A estas semillas de una sola ala se las conoce como “Sámaras“. Cuando estas semillas emprenden su caída al suelo, su única ala las hace girar en un proceso llamado de auto-rotación, similar al movimiento que poseen las aspas de los helicópteros creados por el hombre. En estudios recientes, un grupo de investigadores de la Universidad de Maryland han diseñado y construído una sámara mecánica cuya dinámica es muy similar a la de las sámaras de la naturaleza. Observa los videos y sorpréndete con la evolución de este “monocóptero”.

Los investigadores, Evan Ulrich, Darryll Pines, y Sean Humbert de la Universidad de Maryland, han publicado un estudio sobre “sámaras robóticas” en un número reciente de “Bioinspiration & Biomimetics”. La idea de crear un dispositivo de vuelo robótico basado en la dinámica de las sámaras se originó hace varios años, cuando los investigadores trataron de reproducir modelos en pequeña escala, como réplicas de helicópteros de tamaño completo. “Los helicópteros a gran escala tienen una elevada eficiencia aerodinámica“, afirma Ulrich, “Sin embargo, la eficiencia aerodinámica es desproporcionada, por lo que un helicóptero a escala reducida tiene problemas de estabilidad y es inviable. El Dr. Pines se dio cuenta de que el sistema más simple observado en la naturaleza que es capaz de alcanzar vuelo vertical, que es un sistema natural estable y que puede autorotar como un helicóptero es la Sámara.”

Luego de investigar la sámara con el fin de comprender mejor su dinámica de vuelo, los investigadores descubrieron que las semillas aladas también son uno de los volantes más eficientes de la naturaleza. La sámara es un monocóptero, lo que significa que tiene una sola ala. Por esta razón, la sámara no tiene marco estático de referencia, a diferencia de un helicóptero con dos alas. Sin embargo, a través de pruebas de caída libre, los investigadores pudieron medir cuantitativamente la dinámica de vuelo de la sámara y utilizar esta información para comprender mejor su comportamiento de  auto-rotación y su trayectoria de vuelo.  Después de diseñar y construir una sámara mecánica, los investigadores midieron la dinámica de vuelo en caída libre dejándola caer desde una altura de 12 metros. Los científicos usaron estos datos para desarrollar tres diseños diferentes de sámaras robóticas, que varían en tamaño de 7,5 cm a 0,5 m. En pruebas de vuelo, demostraron que las sámaras basadas en fibra de carbono pueden ser dirigidas a distancia, hacia algún lugar deseado, con sólo alterar la inclinación del ala. Las sámaras robóticas también podría flotar, ascender, descender y trasladarse, es decir, lo que cualquier helicóptero sería capaz de hacer.

El concepto de una aeronave con una sola ala giratoria no es nuevo. Los registros datan que el primero de dichos vehículos voladores existió en 1952, cerca de Lake Placid, Nueva York  y fue desarrollado por Charles McCutchen. Desde entonces, otras aeronaves de ala rotativa sólo se idearon y desarrollaron en el papel, pero ninguno de estos diseños se basó en el sistema de auto-rotación de las sámaras. Según los diseñadores, este proceso tiene varias ventajas en comparación con otros aviones de pequeña escala que realizan despegues y aterrizajes en vertical. Por ejemplo si las sámaras robóticas pierden potencia o energía durante el vuelo, pueden auto-girar (por su propia dinámica) hacia abajo y llegar al suelo sin sufrir ningún daño debido además, a su estructura flexible que es capaz de amortiguar el impacto. Las sámaras robóticas también son estables en el aire, tienen bajo costo, mecánica simple, y poseen una alta capacidad de carga. El tiempo de vuelo de los prototipos es de alrededor de 30 minutos, pero esto depende de la capacidad energética de la batería.

En el futuro, Ulrich planea fundar  una compañía para licenciar y desarrollar esta tecnología para su comercialización. “Queremos tomar ventaja del modo de sustentación por auto-rotación, ya que no requiere de grandes cantidades de energía para el vuelo”. “Si podemos encontrar una columna vertical de aire ascendente, o térmicamente estable, el aparato puede permanecer en el aire de manera indefinida“. Además, puesto que el dispositivo está en continuo movimiento, una cámara a bordo podría ser utilizada para tomar imágenes en 360° a su alrededor y crear un mapa en 3D del lugar en pocos instantes. Los modelos de ensayo de las sámaras robóticas giran alrededor de 15 veces por segundo y pueden navegar a través de áreas pequeñas y evitar los obstáculos, dándole ventajas por sobre los vehículos más grandes, tales como helicópteros o aviones.