La ingeniería biomimética se inspira en la Naturaleza para lograr cosas que rayan lo imposible. En 2003 se publicó el diseño de Robostrider, un robot tipo insecto que se mueve sobre la superficie del agua gracias a la tensión superficial igual que un zapatero (Gerris lacustris) o un zancudo (Aquarius paludum). Ahora el coreano Je-Sung Koh (Univ. Harvard, EEUU) y sus colegas publican en Science el diseño de un nuevo hemíptero heteróptero robótico capaz de saltar sobre el agua hasta 14 cm de altura, retornando a su superficie sin problemas.

El vídeo es realmente espectacular. Este logro se publica en Je-Sung Koh et al., «Jumping on water: Surface tension–dominated jumping of water striders and robotic insects,»Science 349: 517-521, 31 Jul 2015, doi: 10.1126/science.aab1637. Más información en Dominic Vella, «Two leaps forward for robot locomotion,» Science 349: 472-473, 31 Jul 2015, doi: 10.1126/science.aac7882.

Los artrópodos pequeños cuyas patas están recubiertas de sustancias hidrófugas pueden flotar en el agua sin esfuerzo gracias a la tensión superficial. Su número de Baudoin es bajo, Ba <1 (donde Ba = m g / (σ P), con m la masa, g la aceleración de la gravedad, σ = 72 mN/m es la tensión superficial del agua a 25 ° C y P es el perímetro de contacto); para un humano es Ba >> 1 y no puede flotar en la superficie del agua.

Los zapateros saltan sobre el agua cuando están en peligro. Su biomecánica se ha estudiado usando vídeos de alta velocidad. Para saltar el zapatero empuja la superficie del agua hacia abajo, girando sus cuatro patas hacia adentro a una velocidad U ~ 0,2 m/s. La fuerza que domina es la tensión superficial ya que el número de Weber es We = ρ U² D / σ ~ 0,01 (donde D ~ 0,1 mm es el diámetro de las patas y ρ es la densidad del agua). Más aún, como la masa del insecto es m ~ 40 mg y el perímetro de sus patas que define la región de contacto es de P ~ 80 mm, se tiene un número de Baudoin muy pequeño (Ba ~ 0,01) que implica que durante todo el movimiento las patas se encuentran sobre la superficie del agua, sin penetrar en ella. Gracias a ello la superficie del agua se comporta como una cama elástica que transfiere momento lineal al insecto permitiendo su salto. La máxima tasa de transferencia de momento lineal es de 144 milinewtons por metro.

El nuevo robot se ha fabricado con técnicas estándares para microelectromecanismos. Tiene un cuerpo de unos 2 cm de longitud con forma de bisagra de flexión que produce el par que permite que las patas giren hacia adentro. El mecanismo se basa en materiales con memoria de forma (una aleación NiTi que actúa como músculo artificial) que se activan con calor (cuando se supera la temperatura de transición cambia la rigidez del actuador y se produce el par). Las patas son de una aleación superelástica de NiTi que evita la deformación permanente durante salto repetidos.

 

El peso corporal del robot es de 68 mg y el perímetro de las patas en la región de contacto es de 160 mm, lo que corresponde a un número Ba ~0,06. En los experimentos, el salto del robot alcanza una aceleración de 13,8 g (siendo g la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra); este valor esta cerca de la aceleración máxima que se estima en 15 g.

En resumen, un trabajo en robótica bioinspirada muy interesante que nos permite matar dos pájaros de un solo tiro. Por un lado nos permite estudiar la biomecánica del salto de los zapateros y zancudos de forma controlada. Y por otro lado permite el desarrollo de nuevos insectos robóticos que podrían tener aplicaciones futuras.