Un robot logra mantenerse estable en el aire sin hélices: el método que lo hace posible

Floaty, un robot volador desarrollado por investigadores del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes y la Universidad de Stuttgart, logró mantenerse estable en el aire sin hélices al aprovechar corrientes ascendentes y ajustar cuatro aletas móviles.

Esta estrategia redujo su consumo específico a 10 W/kg, cerca de un orden de magnitud por debajo de los drones impulsados por empuje.

El sistema voló en un túnel de viento con corrientes verticales de hasta 10 m/s y se mantuvo en suspensión con un consumo total medio de 3,4 W. En pruebas repetidas, el robot sostuvo vuelos continuos de cerca de 33 minutos con dos baterías LiPo de 250 mAh.

El trabajo publicado en npj Robotics aborda una de las limitaciones tradicionales de la robótica aérea: los multirrotores ofrecen agilidad y la capacidad de permanecer suspendidos, pero presentan un consumo energético elevado; en cambio, los aviones de ala fija resultan más eficientes, aunque carecen de la posibilidad de mantenerse estáticos en el aire. Floaty surge como una solución para cubrir ese punto intermedio.

Cómo funciona el control morfológico sin empuje

A diferencia de un dron convencional, Floaty no genera empuje activo. Su vuelo dependió de corrientes de aire verticales y de cuatro aletas accionadas de manera independiente, que modificaron el perfil aerodinámico del cuerpo para variar la resistencia del aire y controlar posición y orientación.

Ese control morfológico se inspiró en las aves planeadoras, que alteran alas y cola para aprovechar ascendencias. El artículo científico describió que el robot usó principalmente fuerzas de arrastre, no de sustentación tradicional, para estabilizarse, flotar y maniobrar sin necesidad de velocidad horizontal neta.

La plataforma pesó 340 g y tuvo cuatro aletas de alrededor de 25 g cada una. Su estructura combinó impresión 3D, varillas de fibra de carbono, cuatro servomotores miniatura y una placa de control adaptada de Crazyflie 2.1.

Los ensayos se realizaron en un túnel de viento cilíndrico de 1,2 m de diámetro, equipado con siete motores brushless y un sistema de captura de movimiento OptiTrack con cinco cámaras. En ese entorno, el robot recibió datos de posición y actitud para corregir sus aletas a 100 Hz.

Ghadeer Elmkaiel, autora del estudio y doctoranda del grupo Learning and Dynamical Systems del instituto alemán, dijo al medio Tech Xplore: “Creemos que nuestro trabajo abre nuevas formas de construir robots voladores más eficientes y más sostenibles”.

“En lugar de depender de motores que generan empuje, Floaty demuestra que los robots pueden montar el viento de manera inteligente, igual que las aves, ahorrar mucha energía y seguir siendo controlables”, explicó.

Cambios de diseño que estabilizaron el prototipo

El mayor obstáculo inicial fue evitar que el robot se diera vuelta de lado y, al mismo tiempo, conservar capacidad de maniobra. En las primeras pruebas en túnel de viento, la forma plana original tendía a volcarse lateralmente en vez de autocorregirse.

Para resolverlo, el equipo introdujo dos modificaciones centrales: bajó el centro de masa unos 7 cm por debajo del plano de las aletas y añadió una curvatura precisa de 42,5° en uno de sus lados. Según el estudio, esos ajustes transformaron un comportamiento inestable en una configuración con estabilidad pasiva.

La investigación también optimizó el ángulo nominal de suspensión de las aletas en un rango de 20° a 25°. Ese margen permitió equilibrar la autoridad de control sobre alabeo, cabeceo, guiñada y fuerza vertical.

El resultado fue un robot capaz de recuperar la estabilidad después de empujones físicos y de perturbaciones del viento. En pruebas con corrientes verticales de entre ocho y 11 m/s, Floaty mantuvo el vuelo incluso cuando se introdujo una componente lateral de hasta 4 m/s, equivalente a cerca del 40% del flujo ascendente principal.

Ventaja energética frente a cuadricópteros y posibles usos

El dato central del estudio fue energético. Durante la suspensión, Floaty registró un consumo específico de 10 W/kg, frente a los 100 a 250 W/kg que suelen requerir los sistemas aéreos con propulsión activa durante el vuelo estacionario, de acuerdo con la publicación científica.

Para dar contexto, los investigadores compararon su desempeño con dos cuadricópteros. Un microdron Crazyflie de 27 g consumió cerca de 8 W en suspensión en aire quieto, lo que equivale a 296 W/kg.

Un cuadricóptero personalizado de 950 g consumió 145 W/kg en aire quieto y 68 W/kg sobre el túnel de viento, aun después de mejorar un 53% gracias a la corriente ascendente.

Incluso frente a ese segundo caso, Floaty mantuvo una ventaja amplia: su consumo específico siguió siendo aproximadamente siete veces menor. El estudio señaló que ese nivel lo ubicó en la misma franja de bajo consumo que pequeños planeadores autónomos, aunque con una diferencia clave: puede mantener suspensión en corrientes verticales.

La publicación también documentó maniobras rápidas. El robot alcanzó tasas de guiñada superiores a 80° por segundo durante seguimiento de señales y hasta 300° por segundo en respuestas escalón, con tiempos de asentamiento inferiores a 0,5 s. En aceleración angular, logró picos de 30 rad/s² en guiñada y 40/30 rad/s² en alabeo y cabeceo.

Michael Mühlebach, director del grupo Learning and Dynamical Systems y coautor del trabajo, explicó que el robot podría ser útil en situaciones reales con corrientes ascendentes.

Mencionó como ejemplo la inspección de chimeneas industriales, donde hay flujos verticales intensos, además de posibles aplicaciones en control de cohetes durante la reentrada o en guiado de globos meteorológicos.

El estudio precisó que las chimeneas de grandes fábricas suelen tener velocidades de salida de 10 a 20 m/s, un rango similar al usado en los experimentos. También aclaró una limitación: el diseño dependió de flujo vertical para generar sustentación aerodinámica y no estuvo pensado para escenarios donde la componente horizontal del viento pase a dominar.