Ingenieros de la Universidad Nacional de Río Cuarto (Argentina) usan modelos numéricos y programas informáticos especializados para estudiar minuciosamente el movimiento de sus alas batientes y replicarlo en microvehículos aéreos.

Desde que la humanidad existe, el hombre siempre quiso volar, suspenderse en el aire y aletear libremente detrás de los sueños. La naturaleza fue una fuente inagotable para su imaginación, que alumbró leyendas como la de Ícaro –el joven que voló tan alto que el sol derritió sus alas y cayó- y los prototipos de Leonardo Da Vinci. La invención del avión le permitió surcar los cielos y recorrer el mundo, pero ahora va por más: imitar el vuelo perfecto del colibrí y de insectos como el abejorro, la libélula o la mosca. De eso se trata un proyecto en el que trabaja un grupo de ingenieros de la Universidad Nacional de Río Cuarto.

El reto es gigante: descubrir los secretos de la “supermaniobrabilidad” del vuelo de esas aves e insectos, para replicarlos artificialmente. Primero, en un diseño conceptual y, después, en un prediseño. Estas son dos instancias clave que preceden a la del diseño de detalles, es decir, aquella que concebirá el prototipo de un microvehículo o robot volador.

El colibrí o zunzún es, sin dudas, una de las aves más fascinantes del mundo. Su nombre, precisamente, está relacionado con el zumbido que musitan sus alas al volar. Puede aletear hasta 40 veces por segundo y su agilidad no tiene límites. Esta es una capacidad exclusiva de su especie: el vuelo en todas las direcciones. Puede hacerlo hacia adelante, atrás, arriba, abajo y hasta suspenderse impávido en el aire, burlando la física.

Menos elegante, pero igualmente asombroso, resulta el vuelo del abejorro, ese insecto rechoncho, hermano mayor de la abeja y de alas proporcionalmente tan pequeñas que nadie puede siquiera creerlo capaz de despegar. Y si de interesante se trata, también aparece la mosca, que con escasas neuronas es capaz de trazar patrones de vuelo inexplicables.

Sin embargo, con mucho empeño y gracias a la tecnología, la ciencia encontró una explicación. A diferencia de los aviones, las aves y los insectos mueven sus alas flexibles a gran velocidad, con cambios de dirección muy rápidos e imperceptibles a simple vista, de modo que las turbulencias creadas en torno de ellas son las que les dan lugar al empuje y la sustentación.

Ese es el norte del trabajo que lleva a cabo este equipo de docentes e investigadores del Grupo de Matemática Aplicada (GMA) de la Facultad de Ingeniería de la UNRC, que dirige el doctor Bruno Roccia, con la participación de los doctores Marcos Verstraete y Luis Ceballos, el magister Luciano Nitardi y el estudiante avanzado Manuel Valdano, bajo la coordinación general del doctor Sergio Preidikman, ex docente de esta casa de estudios, que actualmente es profesor de la Universidad Nacional de Córdoba.

Es un proyecto que se titula “Desarrollo de modelos numéricos para el estudio de la biomimética del vuelo – Aplicaciones a vehículos aéreos no tripulados”.

Investigan, a través de modelos numéricos y programas informáticos altamente especializados, el movimiento de las alas de los insectos para que después puedan ser aplicados en robots voladores, denominados microvehículos aéreos de alas batientes.

Trabajan en el edificio de la nueva planta piloto de Ingeniería, ubicada en el sector este del campus. Desde allí, buscan desentrañar los complejos procesos que permiten el encuentro entre la biología y la ingeniería, lo natural y lo artificial, el hombre y su pasión por el vuelo.

Cada computadora es su propio laboratorio, y no necesitan más para hacer confluir los modelos numéricos sobre los que desarrollan sus estudios.

El grupo toma las investigaciones de los biólogos y emplea la cinemática (mecánica del movimiento) del vuelo de los insectos y las aves para develar cómo se comportan las características dinámicas; es decir, las fuerzas que actúan sobre ellos al volar.

El doctor Verstraete señaló que estudian insectos como las libélulas y las moscas, y aves pequeñas como los colibríes. Una de las características que los distingue es la alta flexibilidad de sus alas. Explicó: “Varios años de investigación mostraron que esa flexibilidad provee un importante aporte al desempeño del vuelo. Sin embargo, aún existen fenómenos a comprender; es por eso que buscamos entender de manera acabada cómo interactúa el aire que rodea el ala, su movimiento y cómo se deforma”.

La comprensión de esos fenómenos significaría un importante avance para los futuros desarrollos de vehículos aéreos de vuelo eficiente.

Entre tanto, en su particular laboratorio (la computadora), el doctor Roccia logró desarrollar una herramienta informática que simula el vuelo de una mosca. Con ello, pudieron conocer características de este insecto y vislumbrar sus posibilidades de desarrollo en la ingeniería. El trabajo le valió a Roccia una premiación de la Academia Nacional de Ingeniería y la publicación de su investigación en una prestigiosa revista científica de la ciencia aeronáutica.

Uno de los desafíos futuros es incrementar la capacidad de esa herramienta, dotándola de un modelo de mayor complejidad que permita captar más información sobre el vuelo de los insectos. Al decir de Verstraete: “reproducir lo más fielmente posible lo que pasa en la realidad”.

Bruno Roccia precisó: “El objetivo último del proyecto es tratar de revelar lo que los investigadores llaman ‘el lenguaje del vuelo natural’. Es decir, responder, entre otras, a las preguntas ¿cómo con aproximadamente tres mil neuronas algunos insectos hacen lo que hacen? ¿Cómo, con tan poca capacidad de cómputo, una mosca puede levantar vuelo en una punta de la mesa y aterrizar en la otra, muchas veces, patas para arriba? ¿Cómo sabe cuándo cambiar la frecuencia y la amplitud del aleteo y cómo acomodar el cuerpo?”

-¿El proyecto que llevan adelante puede dar respuesta a esas preguntas?

-Roccia. Nos planteamos como objetivo principal el desarrollo de una herramienta computacional de alta fidelidad para estudiar, por un lado, el comportamiento aeroelástico de microvehículos aéreos (MAVs) basados en alas batientes o en el fenómeno de autorrotación y, por el otro, de aeronaves con alas que mutan (cambian su forma) para adaptarse a múltiples regímenes de vuelo (morphing-wings). Los microvehículos aéreos son destructores de antiguos paradigmas, ya que han sido concebidos como vehículos de un tamaño comparable a las criaturas de la naturaleza, con capacidad de volar. Estamos hablando del tamaño de una abeja, probablemente lo más grande puede ser como un colibrí, o tan pequeño como una mosca.

-¿Qué aspectos puntuales trabajan en estos momentos?

Se trabaja en el desarrollo e implementación, primero, de un modelo estructural más sofisticado, que permita modelar con mayor precisión la estructura de las alas de los microvehículos aéreos y aeronaves con alas que mutan; segundo, en la implementación de un modelo aerodinámico para simular el flujo alrededor de la estructura de la aeronave, y tercero, en el desarrollo de una herramienta computacional (simulador numérico) para estudiar la aeroelasticidad de esos sistemas aeronáuticos.

¿Todo este trabajo se lleva a cabo en la Universidad de Río Cuarto?

No. Es altamente complejo. Por eso, el proyecto se lleva adelante en colaboración con universidades nacionales e internacionales. El Grupo de Matemática Aplicada trabaja junto con el Grupo de Aeroelasticidad, liderado por el doctor Sergio Preidikman, de la Universidad Nacional de Córdoba. A nivel internacional, se mantienen importantes vínculos con el Departamento de Mecánica de la Universidad de Maryland, USA; el Virginia Polytechnic Institute and State University, USA; el grupo de dinámica multicuerpo y mecatrónica de la Universidad de Liège, Bélgica; y el grupo de aerodinámica experimental y aeroelasticidad de la Universidad de Liège.

¿Qué resultados obtuvieron?

Recientemente, se obtuvieron resultados alentadores sobre aerodinámica no estacionaria y la dinámica no lineal de microvehículos aéreos basados en alas batientes y en el fenómeno de autorrotación. Específicamente, se ha implementado una primera versión de un modelo estructural más avanzado, el cual tiene su origen en el Departamento Aeroespacial e Ingeniería Mecánica en ULiege, Bélgica.

Las actividades de investigación que se desarrollan en el GMA están relacionadas al estudio del comportamiento aeroelástico de sistemas aeronáuticos y mecánicos. Hacia fines del 2000 esta disciplina no era muy conocida en Argentina. Cuando el profesor Sergio Preidikman regresó de USA, donde obtuvo su doctorado, comenzó a trabajar en temas relacionados con la aeroelasticidad de aviones. Durante los años 2003 y 2004, trabajó la temática, incorporando los microvehículos aéreos; esto fue en la Universidad de Maryland y el Departamento de Defensa de USA. Cuando regresó, trajo parte de ese proyecto con el objetivo de continuar la línea de investigación en la UNRC.

En 2002, el doctor Roccia se unió al grupo de Preidikman como becario de investigación para estudiar el comportamiento estructural de mástiles arriostrados (antenas vinculadas a tierra por medio de cables), en colaboración con el profesor Julio Massa.

Posteriormente, Luis Ceballos y Bruno Roccia continuaron con el doctorado bajo la supervisión de Preidikman. Años más tarde, Marcos Verstraete se sumó al grupo, quien también obtuvo el grado de doctor.

Finalmente, Preidikman se mudó a Córdoba para trabajar en la UNC, y los doctores Roccia, Ceballos y Verstraete siguieron este trabajo en la UNRC, además de desarrollar otras líneas, que dieron origen al Grupo de Matemática Aplicada.

Por su larga trayectoria en el estudio de microvehículos aéreos, este año el Grupo de Matemática Aplicada de la UNRC, junto con la Universidad Nacional de Córdoba, recibieron el Premio “Ing. Luis A. Huergo”, edición 2017, otorgado por la Academia Nacional de Ingeniería, atendiendo a los destacados méritos del trabajo “Modified Unsteady Vortex-Lattice Method to Study Flapping Wings in Hover Flight” (Método de red de vórtices inestacionario modificado para el estudio de alas batientes en vuelo suspendido), que se publicó en la distinguida revista de aeronáutica y astronáutica AIAA Journal, de Estados Unidos, junto con los profesores Sergio Preidikman, Julio Massa y Dean T. Mook, de Virginia Polytechnic Institute and State University, USA. Este trabajo formó parte de la tesis de doctorado del doctor Bruno Roccia.

En el 2017, el GMA fue galardonado en el 6º Simposio Internacional sobre Mecatrónica y Sistemas Multicuerpo – MuSMe 2017, celebrado en la ciudad de Florianópolis, Brasil.

Fuente: noticiasdelaciencia.com