¿Cambiarán el Mundo los Drones?


Todos los vídeos de Draw Curiosity están subtitulados en español e inglés. Este blog extiende los conceptos presentados en el vídeo.

Aquí va mi entrada al Concurso del National Academy of Engineering’s “Engineering For You (E4U3)” – el cual nos reta a explicar un proyecto de mega-ingeniería en 1-2 minutos. Este vídeo fue una maratón de animación, pero estoy muy orgullosa del resultado y el hecho de que me decidí presentar al concurso. Si te gustó el vídeo, por favor apóyalo dándole un ‘thumbs up’ en YouTube.
Soy consciente de que el vídeo está repleto de muchísima información (¡y eso que recorté mucho!) – así que decidí explayarme más acerca de los detalles mencionados en el vídeo.

¿No existen ya drones ultrapequeños?

Comercialmente, los drones más pequeños disponibles miden aproximadamente 4 x 4cm y 3 x 2cm. Eso es bastante pequeño, pero no tanto como el insecto medio. Las moscas domésticas miden aproximadamente 0.8 – 1.2cm en longitud, y muchos otros insectos son microscópicos, midiendo en torno a 0.5 – 5mm en longitud! Esta captura del vídeo muestra mi Cheerson drone a escala junto a una mosca doméstica y una mosca del vinagre (asumiendo que cada cuadrado grande del papel mide 1 x 1cm).

Cheerson CX-10 drone (40 x 40mm) size comparison against a housefly (8 - 12mm) and a fruit fly (5mm)
Cheerson CX-10 drone (40 x 40mm) comparación a escala contra una mosca doméstica comparison against a housefly (8 – 12mm) y una mosca de la fruta (4-6mm)

Tal vez hayas oído en la prensa acerca del lanzamiento de Robobees, que es el robot volador más pequeño del mundo con una envergadura de tan sólo 30mm, diseñado por investigadores en la Universidad de Harvard. Su característica principal es su habilidad de posarse usando fuerzas electrostáticas para gastar menos energía en posición estática. Aún están en desarrollo y no están disponibles de manera comercial, pero puedes ver un vídeo de uno en acción aquí:


Controlled flight of a robotic insect de Wyss Institute en Vimeo.

Sin embargo, su desventaja principal es que actualmente sólo son capaces de volar amarrados a su fuente de energía, por lo que no son completamente autónomos. La próxima fase de desarrollo involucrará la búsqueda de una fuente de alimentación lo suficientemente pequeña para que pueda volar de manera libre.

¿Qué son las micropilas de combustible?

Este es otro campo de investigación muy emocionante. Una de las razones por las que la longevidad de las pilas son tan cortas en los drones es porque deben gastar energía transportando la pila misma. Una pila más grande provee más energía, pero también requiere más energía para llevarla de un sitio a otro.

Las micropilas de combustible usan un proceso químico diferente para generar energía, y son una rama tecnológica muy prometedora. Funcionan oxidando combustible como hidrógeno, o alcoholes como metanol. En la mayoría de los casos, las pilas realmente no son tan ‘micro’, pero son capaces de almacenar hasta 10 veces la cantidad de energía que una batería estándar de litio. Las principales ventajas es que utilizan combustible sustituible, por lo que a medida que se gasta el combustible, la reserva se vacía y por tanto pesa menos. Esto significa que pueden cargarse en cuestión de segundos reemplazando el cartucho, a diferencia de las baterías recargables tradicionales que suelen requerir varias horas. Igualmente, como los cartuchos bajos en combustible pesan menos, también requieren que el vehículo transportándolo gaste menos energía a medida que se gasta.

La principal desventaja actual es que son relativamente grandes para un drone pequeños. Se han implementado exitosamente en vehículos motorizados, y actualmente se están desarrollando versiones a escala de la pila, con el objetivo de utilizarlos en dispositivos electrónicos pequeños como teléfonos móviles, tablets y portátiles. Micropilas de combustible aún más pequeños serían los candidatos ideales para alimentar micro- y nanodrones.

¿Es la energía renovable una buena fuente de alimentación?

La utilización de la energía renovable es un excelente plan B para los vehículos aéreos no tripulados, especialmente aquellos que llevarán a cabo viajes largos a destinos remotos, o aquellos que deben permanecer autosuficientes en una reserva natural. Alternando comportamientos de reposo y de vuelo, al igual que los animales, pueden buscar el sol u otras fuentes apropriadas de combustible, y reposar mientras recolectan información de manera que gasten menos energía mientras recargan sus pilas.

¿A qué te refieres por mecanismos de vuelo energéticamente eficientes?

Los animales voladores han encontrado múltiples maneras de optimizar su rendimiento, sea reduciendo sus requerimientos energéticos o maximizando el rendimiento de otros factores, como la velocidad aérea alcanzada o distancias cubiertas. Aplicando estos principios a nuestros vehículos aéreos no tripulados, tal vez nos encontremos con que podemos gastar la energía de manera más eficiente. Mientras que la mayoría de VAnT tienen períodos de carga que superan el período de vuelo, los animales son más eficientes en sus labores de búsqueda de comida y adquisición de la energía, y también son más frugales a la hora de gastar su valiosa energía. Esto permite que su tiempo volando supere con creces el intervalo necesario para recuperar fuerzas. Las estimaciones del tiempo de ‘carga’ y ‘vuelo’ mostradas en el vídeo para los insectos está basado en mis propias observaciones durante experimentos que he llevado a cabo investigando el vuelo de las moscas y los abejorros.

¿Cómo de exactos son las fechas de la evolución del vuelo citados al comienzo?

Hechos por el hombre

En cuestiones de precisión, los vehículos aéreos hechos por el hombre son más precisos por un factor de 10,000 – pero en ciertas áreas me resultó difícil definir el momento exacto para los hombres. Por ejemplo, la figura de que los vehículos motorizados hayan estado presentes durante ~60 años a algunos les parecerá muy alto, y a otros, muy bajo.

Hubo muchos intentos previos – el primer caso registrado fue en un ataque liderado por los austriacos en 1849, quienes enviaron 5 globos cargados de bombas a Venecia – pero los globos ni estaban motorizados ni controlados remotamente. En 1907 Louis Breguet construyó el primer quadcopter, el cual fue capaz de volar a baja altitud amarrado al suelo, pero eso tampoco cuenta realmente.

By PHGCOM - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4670215
El Gyroplane de Breguet. Por PHGCOM – Obra propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4670215

El desarrollo de los quadcopters despegó definitivamente a comienzos de 1960 debido al desarrollo militar, y en tiempos recientes se ha reducido su escala para producirse comercialmente. Uno puede comprarse un drone en el rango de $10 – $2000 dependiendo de las funciones requeridas. Para jugar en casa, yo me lo he pasado estupendamente con el Cheerson CX-10, hasta ahora ha demostrado ser bastante resistente a los golpes e incluso viene con piezas de repuesto, haciéndolo una inversión barata para aprender a manejar los drones y decidir si invertir en uno más grande merece la pena o no.

The epitome of the drone-selfie is to use a fish-eye lens.
La clave del drone-selfie es usar un objetivo ojo de pez.

Al otro lado del espectro, puedes encontrar los drones DJI Phantom, equipados con la última tecnología en cuestiones de GPS, programabilidad, capacidad de grabar con una cámara con estabilización incorporada y muchas otras virguerías.

Animales

Como bióloga e investigadora del vuelo de los insectos, éste es precisamente el tema que mejor domino. El vuelo potenciado verdadero ha evolucionado un total de 4 veces – en los insectos, pterosaurios, aves y murciélagos, y cada individuo perteneciente a estos grupos ha descendido de un ancestor volador común a todos los individuos del mismo lineaje.

Insectos

Los insectos son sin duda los voladores más veteranos, con 430 milliones de años de experiencia, y en lo diferentes órdenes hay una gran variedad de especializaciones. Para nombrar unos pocos, las langostas (Ortópteros) están adaptadas para llevar a cabo vuelos a larga distancia, y son capaces de llevar a cabo un vuelo sostenido de hasta 8 horas por tirada; las moscas (Dípteros) han perdido sus alas traseras, que han re-evolucionado en los halterios. Estos órganos sensibles actúan como giroscopios, proporcionando a la mosca con información sensorial detallada, permitiéndoles llevar a cabo las maniobras acrobáticas que demuestran cuando intentamos matarlas. Los abejorros (Himenópteros) son más torpes en cuanto a las maniobras, pero son excelentes transportando cargas pesadas en vuelo; y los escarabajos (Coleópteros) se han convertido en los maestros del origami de las alas, pudiendo doblar y proteger sus alas bajo su coraza resistente cuando no están volando.
Mi trabajo como estudiante de doctorado involucra el análisis de muchos vídeos a cámara lenta de insectos (como los que viste en el vídeo), ¡así que podéis esperar algunos segmentos acerca de la belleza y complejidades del vuelo de los insectos en el futuro!

Pterosaurios

El único grupo enteramente extinguido, los pterosaurios vivieron hace 228 – 44 millones de años, pero la evidencia de los fósiles demuestra que eran voladores muy aptos.

Aves

La fecha exacta para la evolución del vuelo en las aves es indeterminada, pero fue hace 100 – 150 milliones de años. Unos estudios recientes sugieren que no originó con Archaeopteryx ya que ciertos aspectos de su morfología demuestran que eran incapaces de volar, y probablemente empleaban sus alas para mantenerse calientes.

Murciélagos

Los murciélagos son los animales que evolucionaron la capacidad de volar más recientemente, hace 52 millones de años.

¿Cuál es el rol de First Person View (FPV) y la Realidad Virtual (VR) en el avance de la tecnología de los drones?

Este iba a ser la cuarta mejora que iba a sugerir, antes de decidir que definitivamente iba a sobrecargar un vídeo de 2 minutos, aunque hago alusión a ello en la sección de ‘drones accesibles’. Ahora que la tecnología es lo suficientemente rápida para grabar y transmitir vídeo a tiempo real desde el drone a las gafas de realidad virtual, es posible convertirse en un drone racer, manejando el quadcopter desde la perspectiva de la primera persona. De hecho, puedes probar esta experiencia usando Google Cardboard: coloca tu teléfono dentro de la caja, pon tus vídeos favoritos de YouTube en modo “Google Cardboard” y disfruta una experiencia parecida al cine.
Sin embargo, la tecnología de la realidad virtual y FPV se puede llevar aún más allá de los propósitos del mero entretenimiento, y aplicado a mejorar la calidad de vida de aquellas personas con movilidad limitada, permitiéndoles explorar áreas virtualmente, y controlar el drone para acceder a, transportar y manipular los objetos en sus alrededores.


Espero que hayas disfrutado este post y hayas aprendido algo nuevo hoy. Con suerte mi entrada pasará a la final del concurso – en cuyo caso crearé un segundo blogpost explicando cómo creé este vídeo, ya que hay muchas “Behind the Scenes” interesantes acerca de cómo hice las grabaciones y las animaciones. Me encantaría saber qué pensáis acerca de este tema, ¿pensáis que los drones cambiarán el mundo? Si disfrutaste de este blog y quieres ser notificado de nuevas entradas, puedes suscribirte al mailing list
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