Un robot de 80 cm y 2,8 kg inspirado en una larva de pez cebra consumió menos energía en todas las velocidades que logró alcanzar cuando alternaba ráfagas de cola con deslizamientos pasivos que cuando batía la cola de forma continua. El resultado procede de las pruebas de ZBot, un robot nadador intermitente construido por investigadores de la EPFL en Suiza, la Universidad de Duke en EE. UU. y el Instituto Superior Técnico de Portugal.
El hallazgo se mantuvo tanto en condiciones de número de Reynolds alto como bajo. El precio fue la velocidad: la velocidad máxima con la natación de impulso y deslizamiento fue de aproximadamente el 60 % de la alcanzada con el batido continuo de la cola.
Un pez cebra ampliado 200 veces
ZBot es una larva de pez cebra ampliada 200 veces. Reproduce la forma del cuerpo del animal, su estructura segmentada y la distribución de su centro de masa. Su cola tiene seis segmentos, cada uno accionado por un servomotor, para imitar la ondulación del pez.
La cabeza alberga un controlador central que actúa como sistema nervioso del robot, cámaras de alta precisión y medidores de potencia en tiempo real. Estos medidores permiten al equipo medir directamente el consumo de energía en cada modo de nado. ZBot cuenta además con interfaces de sensores ampliables que, según el equipo, facilitan el trabajo sobre procesamiento visomotor y sistema vestibular.
El modo de nado estudiado se denomina natación de impulso y deslizamiento (bout-and-glide). El animal ondula el cuerpo y la cola para dar un breve impulso y después adopta una postura recta e hidrodinámica y se deja llevar por la inercia. Este comportamiento aparece en larvas de pez cebra, tetras de nariz roja, carpas koi y ballenas.
Un modelo neuronal controla el modo de nado
Los investigadores de la EPFL y de Duke construyeron un modelo neurocomputacional de los circuitos del pez cebra para controlar el robot. Tiene tres componentes principales. Los generadores centrales de patrones producen señales rítmicas continuas que crean la ondulación básica del nado. Una compuerta de impulso recoge la entrada mediante un integrador con fugas e inicia el movimiento de la cola solo cuando la señal acumulada alcanza un umbral fijo. Neuronas simuladas de proyección espinal ventral ajustan el ángulo de deflexión de la cola, lo que dirige el robot.
La compuerta de impulso es la que produce la alternancia entre ráfagas activas y deslizamientos pasivos. Al modificar la frecuencia y la amplitud de oscilación de la cola y el umbral de la compuerta, el equipo reprodujo en ZBot varios modos de nado de la larva de pez cebra: nado recto lento, giros habituales y giros en J.
Después, el equipo amplió el modelo hasta crear un marco de trabajo de extremo a extremo para la respuesta optomotora, la reacción del pez al movimiento guiada por la vista. El marco convierte la entrada retiniana en salida motora. Reprodujo la respuesta tanto en ZBot como en un gemelo digital de simulación llamado simZFish.
Fluidos más espesos ponen a prueba el resultado
Los peces de distintos tamaños nadan en regímenes de flujo diferentes. Las ballenas nadan con números de Reynolds altos, donde domina la inercia. Las larvas de pez cebra lo hacen en un régimen intermedio con mayor resistencia viscosa. El equipo varió la viscosidad del fluido para imitar animales de distintos tamaños, mezclando agua con sal sódica de carboximetilcelulosa.
Se emplearon tres fluidos. El agua pura tiene una viscosidad de 1 cP y un rango de número de Reynolds de 64 000 a 160 000. Un fluido de viscosidad moderada, de 213,9 cP, comparable a un sirope para cubrir frutas, dio un rango de 37,4 a 448,8. Un fluido muy viscoso de 457,0 cP, comparable a un aceite limpiador de maquillaje estándar, dio un rango de 1,0 a 87,5, cercano al régimen de flujo viscoso.
El fluido más espeso redujo drásticamente el avance de ZBot. El desplazamiento en el fluido más viscoso fue solo una trigésima parte del registrado en agua. El giro se vio mucho menos afectado. El ángulo de giro por impulso fue de unos 60 grados en agua y de 45 grados en el fluido más viscoso.
Por qué este modo de nado ahorra energía
Una explicación habitual es de tipo hidrodinámico. La postura recta durante el deslizamiento reduce la resistencia, por lo que se pierde menos energía. El equipo puso a prueba una segunda idea, la hipótesis de la eficiencia del actuador. Según ella, la natación de impulso y deslizamiento mejora la conversión de energía eléctrica (o energía química, en el caso de un pez) en movimiento de la cola.
El argumento se apoya en la curva de eficiencia del actuador. Tanto los servomotores como el músculo del pez siguen una curva en forma de U invertida y convierten mejor la energía con cargas moderadas. A bajas velocidades, el batido continuo de la cola mantiene los actuadores con poca carga y poca eficiencia. En un ciclo de impulso y deslizamiento, la ráfaga corta mantiene los motores en su rango de carga eficiente y el deslizamiento evita el funcionamiento ineficiente. El equipo señala que este ciclo aumenta la eficiencia global de conversión.
Qué significa para el sector
La lección práctica es una estrategia de control más que un mecanismo nuevo. Los robots submarinos que navegan a velocidad baja y media podrían usar el impulso y deslizamiento, y pasar a propulsión continua cuando necesiten velocidad para una maniobra de emergencia. El límite medido del 60 % de velocidad concreta ese compromiso. Un vehículo que necesite velocidad máxima no puede depender solo de la marcha intermitente.
La explicación basada en el actuador es la afirmación de más peso para los ingenieros. Si parte del ahorro procede de mantener los motores en su banda de carga eficiente, el beneficio no depende únicamente de la resistencia del casco. Debería entonces aplicarse a otros robots accionados por servos que trabajen con poca carga. La explicación basada en la resistencia no se trasladaría del mismo modo. Las pruebas del equipo con distintas viscosidades, que mostraron el ahorro con números de Reynolds altos y bajos, respaldan la idea de que el efecto no está ligado a un único régimen de flujo.
El trabajo tiene además un segundo uso. Como ZBot ejecuta un modelo de circuitos reales del pez cebra y reproduce modos de nado reales, los biólogos pueden cambiar un parámetro y medir directamente el coste energético. Eso lleva algunas preguntas de la observación hacia la comprobación de causa y efecto.
Quedan varios puntos sin demostrar. No se da la magnitud del ahorro de energía, por lo que aún no puede valorarse la ganancia práctica en la autonomía de un vehículo. El mecanismo del actuador se ha demostrado en servomotores, y la afirmación de que el músculo del pez sigue la misma curva en U invertida se sostiene por analogía, no por medición en peces en este estudio. Las pruebas usaron un único diseño de robot en fluidos controlados. No se ha comprobado si el mismo ahorro se mantiene en aguas abiertas, con corrientes, o en vehículos con otros sistemas de propulsión. El esquema propuesto de cambio de modo de nado para vehículos submarinos es una recomendación, no un resultado probado.