El futuro de los drones está en las serpientes

Los avances tecnológicos que ha conseguido la humanidad a lo largo de milenios de desarrollo pueden resultar verdaderamente prodigiosos. Pero, en ocasiones, es la naturaleza la que proporciona soluciones eficientes que los seres humanos no tenemos más que copiar. Ya son varios los robots que imitan movimientos animales al andar o nadar, y el próximo paso es diseñar drones que imiten a las serpientesvoladoras.

Estas serpientes son muy eficaces a la hora de planear, mucho más que las ardillas voladoras u otros animales, incluso sin tener extremidades ni alas. Son capaces de planear hasta 25 metros en horizontal desde una altura de 15 metros, siguiendo la trayectoria que recorrería un proyectil por el aire. Por eso son modelos tentadores para construir un dron planeador.

Escamas para escalar

Para alcanzar los puntos altos desde los que planear, las serpientes voladoras necesitan ser buenas escaladoras. Para ello cuentan con escamas en su parte inferior, que generan mucha fricción con la corteza de los árboles de manera que son capaces de moverse en vertical. Cuando llegan al extremo de una rama, siguen avanzando hasta quedarse con casi todo el cuerpo suspendido en el aire, de manera que solo la parte final de la cola toca el árbol.

Una vez en el aire, el control sobre la trayectoria es escaso, por eso eligen muy bien la orientación e inclinación de salida antes de lanzarse al vacío. Se colocan en forma de C, aplanando el abdomen y expandiendo las costillas hasta casi formar un ala con su cuerpo. Durante el vuelo, ondulan a izquierda y derecha en paralelo a la tierra de manera que se estabilizan y pueden aterrizar de manera segura.

Al planear son capaces de recorrer largas distancias empleando mucha menos energía que si se deslizan por el suelo, y al mismo tiempo evitar a los depredadores terrestres. Al ondular, aumentan la anchura total que ocupa su cuerpo y simulan un frisbi. Precisamente la forma similar a la del frisbi es la que les permite planear de manera tan eficiente. Puesto que el frisbi es cóncavo, provoca un aumento de presión debajo de su centro, manteniendo el disco en vuelo.

Ondulando…

La ondulación de la serpiente consigue el mismo efecto: incrementa la presión debajo del cuerpo y la reduce en la parte superior. Esta diferencia de presión es la que mantiene en el aire a la serpiente durante tanto tiempo.

Diseñar un dron que aprovechara estos mismos principios permitiría recorrer largas distancias con muy pocos recursos energéticos. Pero, claro está, esta estrategia no se puede aplicar para diseñar una máquina sin conocerla mucho más a fondo. Por eso se elaboran simulaciones por ordenador para analizar en todo detalle el vuelo de estas serpientes.

En un estudio reciente, el equipo investigador grabó en alta velocidad vídeos de serpientes volando. A continuación, desarrollaron un modelo computacional basado en los datos que obtuvieron del vídeo. El modelo les permitió corroborar la diferencia de presión que se crea entre la parte superior e inferior de la serpiente. Pero, además, constataron que se producen dos tipos de remolinos, o vórtices, en el aire que rodea a la serpiente.

Uno de estos tipos de vórtices juega un papel fundamental a la hora de mantener a la serpiente en el aire. Estos vórtices se forman a la altura de la cabeza y se mueven hacia atrás a lo largo del cuerpo. Se conocen como LEV, siglas en inglés de “vórtices laterales principales”. La simulación por ordenador mostró que los LEV se mantienen durante más tiempo en las curvas del cuerpo de la serpiente que en otros puntos. Precisamente por eso, ayudan a la serpiente a planear.

…pero no demasiado

Pero la sorpresa llegó cuando analizaron la relación entre la frecuencia de las ondulaciones y el aerodinamismo de las serpientes. El equipo pensaba que, cuanto más rápido ondularan las serpientes, más estables serían y más éxito tendrían al planear. Sin embargo, la simulación por ordenador reveló la conclusión contraria.

Normalmente, las serpientes ondulan una o dos veces por segundo. El equipo incrementó la frecuencia en el modelo computacional, y observó cómo los vórtices se volvían cada vez más inestables. Algunos de los tubos incluso comenzaban a girar de manera que acababan desprendiéndose de la superficie. Se perdía así el efecto positivo de los vórtices, y la serpiente simulada comenzaba a perder altura rápidamente.

Gracias a las simulaciones, es posible detectar cuáles son los factores que más ayudan a las serpientes a planear, e incluso predecir qué modificaciones podrían ayudar a realizar vuelos incluso más eficientes. Si estos factores se aplican al diseño de robots, quizá algún día se consiga tener fotografías aéreas, monitorización de cosechas o transporte de objetos pequeños con muy poco consumo energético gracias a los drones ondulantes.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Diseñar un dron que aproveche las características favorables de las serpientes voladoras no es tan sencillo como imitar fielmente la forma y movilidad de este animal. Para que el dron sea útil, necesita una serie de componentes (por ejemplo, una cámara, un sensor de infrarrojos o un compartimento para poner los objetos que haya que transportar) que no siempre están adaptados a la forma de la serpiente. Por eso es importante poner a prueba los diferentes elementos del movimiento de las serpientes para comprobar cuáles son las partes esenciales y qué sucede si se modifican.

REFERENCIAS (MLA):

• Gong, Yuchen et al. “Computational analysis of vortex dynamics and aerodynamic performance in flying-snake-like gliding flight with horizontal undulation”. Physics of Fluids, 2022. AIP Publishing, https://doi.org/10.1063/5.0125546.