Los aterrizajes de las moscas al revés inspiran los diseños de los robots

Los aterrizajes de las moscas al revés inspiran los diseños de los robots

Enero 27, 2020

Investigadores de la Universidad de Penn State usaron video de alta velocidad para capturar la forma en que las moscas Calliphora vomitoria (a veces conocidas como moscas de botella azul) aterrizan en el techo. Sus hallazgos están destinados a ser utilizados en la ingeniería de aviones teledirigidos que podrían ejecutar aterrizajes invertidos similares. (Foto de Joseph Berger, Bugwood.org)

Por Asher Jones

Las moscas son algunos de los mejores aviadores de la naturaleza. No es de extrañar entonces, que los insectos con nombres adecuados hayan inspirado el diseño de los antiguos voladores robóticos. Ahora, los investigadores han descrito cómo las moscas aterrizan boca abajo en los techos, con el objetivo de enseñar a los zánganos a realizar aterrizajes invertidos similares.

Asher Jones

Los zánganos tienen innumerables usos para la vigilancia, la búsqueda y el rescate, la agricultura y la conservación. El problema es que los modelos actuales disponibles en el mercado sólo tienen la suficiente duración de la batería para alimentar 30 minutos o menos de tiempo de emisión. Los robots con capacidades de percha podrían descansar en una superficie para conservar energía, recargarse o hacer su trabajo.

"Ellos [los drones] tienen tanto aplicaciones civiles como militares", dijo el Dr. Bo Cheng, profesor asistente de ingeniería mecánica en Penn State. "Hacer que estos robots aterricen al revés en el techo o en una superficie vertical expandirá enormemente su funcionalidad porque no tienen que volar todo el tiempo. Eso hará que el tiempo de operación sea mucho más largo."

El equipo usó video de alta velocidad para capturar la forma en que las moscas Calliphora vomitoria (a veces conocidas como moscas de botella azul) aterrizan en el techo. Después de poner los insectos en una caja de la cámara de vuelo, los investigadores sacudieron la caja para asustar a las moscas y grabaron los aterrizajes.

Las moscas que lograron con éxito los aterrizajes invertidos-o los retoques, tal vez?-mostraron una secuencia coordinada de comportamientos, según informan los investigadores en su artículo publicado en octubre de 2019 en Avances Científicos. Los insectos aceleraron, giraron sus cuerpos al revés y extendieron sus patas delanteras para agarrarse al techo. Finalmente, usaron este agarre para dar una voltereta con sus restantes patas sobre la superficie, completando el aterrizaje. Las moscas que fallaron en cualquier parte de esta secuencia, al no rotar su cuerpo lo suficiente, al no sincronizar sus maniobras, o al no extender sus piernas, se abalanzaron sobre el techo y no lograron aterrizar.

Una imagen compuesta muestra las etapas de una maniobra de lanzamiento en voltereta ejecutada por una mosca Calliphora vomitoria en un aterrizaje invertido. Los investigadores de la Universidad de Penn State están estudiando los aterrizajes invertidos de las moscas con la esperanza de diseñar robots que puedan imitar tales aterrizajes. (Imagen cortesía de Bo Cheng, Doctor en Filosofía, y Pan Liu, Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Penn State)

Una imagen compuesta muestra las etapas de una maniobra de medio barril rodado ejecutada por una mosca Calliphora vomitoria en un aterrizaje invertido. Los investigadores de la Universidad de Penn State están estudiando los aterrizajes invertidos de las moscas con la esperanza de diseñar robots que puedan imitar tales aterrizajes. (Imagen cortesía de Bo Cheng, Doctor en Filosofía, y Pan Liu, Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Penn State)

Para invertir sus cuerpos para un aterrizaje exitoso, el estudio muestra que las moscas deben rotar en el momento exacto. El equipo encontró que C. vomitoria utiliza la información visual para decidir cuándo iniciar estas maniobras. Los investigadores dedujeron la vista de la mosca midiendo la orientación del cuerpo de cada mosca en relación con una cuadrícula en el techo. A medida que las moscas se acercaban al techo, la imagen de la rejilla aumentaba en su ojo como una bola lanzada que parece aumentar de tamaño a medida que se acerca a ti. Al igual que un jugador de pelota utiliza la tasa de expansión del tamaño de la pelota para juzgar cuándo extender una mano para hacer la captura, las moscas parecen utilizar el mismo taco visual para activar sus rotaciones.

Según Cheng, las moscas son expertas aviadoras porque agitan sus alas constantemente durante el vuelo. Cambiando el ángulo de sus golpes de ala, los insectos pueden rotar en cualquiera de las tres direcciones posibles. Para pensar en esto, trate de imaginar una canoa. Puede zozobrar volteando de punta a punta (cabeceo) o rodando de lado (balanceo). También puede girar a la izquierda y a la derecha (guiñada), aunque esto no llevará a una inversión. De manera similar, el equipo encontró que las moscas usaban ya sea el cabeceo, el balanceo o una combinación de ambos para volcar sus cuerpos mientras se elevaban hacia el techo.

El grado de cabeceo y balanceo de cada mosca se asoció con señales visuales y velocidad de vuelo, sugiriendo que los insectos miden la velocidad usando sus antenas o pelos sensibles al viento. Al percibir esta información sensorial y ajustar su estrategia de rotación "sobre la marcha", C. vomitoria las moscas logran el aterrizaje más eficiente.

"No esperábamos que las moscas pudieran usar un repertorio tan rico de comportamientos para aterrizar", dice Cheng. "Anteriormente la gente pensaba que aterrizar boca abajo es mucho más simple de lo que hemos revelado."

Videos de alta velocidad capturados por investigadores de la Universidad de Penn State ilustran cómo una mosca Calliphora vomitoria realiza un aterrizaje invertido o, como se muestra en el tercer video, cómo una mosca a veces no logra ejecutar tal aterrizaje. Un total de nueve videos de alta velocidad están disponibles de los investigadores como material complementario a su artículo publicado en octubre de 2019 en Avances de la Ciencia. (Los videos son cortesía de Bo Cheng, Doctor en Filosofía, y Pan Liu, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Pennsylvania)

"Para construir robots voladores que puedan aterrizar al revés, el equipo utilizará un enfoque de aprendizaje de máquinas para enseñar los movimientos de las moscas a los drones.

"Puedes hacer la analogía de que la mosca es el padre y el robot es el hijo", dice Cheng. "El niño ha visto lo que el padre ha hecho, por ejemplo, recoger una taza o alguna tarea motora complicada. Observarán ese [comportamiento] y comenzarán a imitarlo. El primer paso es tratar de imitar al padre. Pero después necesitan practicar para mejorar cada vez más. Esa es la parte del aprendizaje de refuerzo. Entonces, estamos haciendo cosas muy similares para estos volantes robóticos."

Aunque algunos zánganos han completado aterrizajes invertidos anteriormente, estos modelos usaron cámaras conectadas a computadoras externas para lograr el truco. Según Cheng, este enfoque es computacionalmente exigente. El equipo espera diseñar drones que puedan aterrizar al revés usando sólo sensores de a bordo. Estos robots inspirados en el vuelo utilizarán información visual simple para coordinar un aterrizaje exitoso.

"Hay mucho trabajo en marcha en el ámbito de los vehículos aéreos no tripulados que exploran el comportamiento y la dinámica de los insectos como modelo para el vuelo de los drones", dijo Pauline Pounds, profesora asociada de mecatrónica en la Escuela de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Queensland y que no participó en este estudio. "Este trabajo sobre el control visual de las moscas que se posan en las superficies está bien situado dentro del campo [de los robots aéreos] y tiene un claro valor en el contexto del trabajo existente. También es potencialmente muy útil, ya que cada vez se reconoce más la utilidad de los pequeños robots aéreos no tripulados como plataformas de observación o inspección. "

"Las moscas aterrizan al revés en un techo usando rápidas maniobras rotativas mediadas visualmente"

Avances en la ciencia

>fuerte>Asher Jones es un candidato al doctorado en el Departamento de Entomología de la Universidad de Penn State. Twitter: @AsherGJones. Email: abj5150@psu.edu.

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