{"id":5190,"date":"2021-08-13T09:32:26","date_gmt":"2021-08-13T09:32:26","guid":{"rendered":"https:\/\/transferencia.tec.mx\/?p=5190"},"modified":"2023-09-10T12:21:05","modified_gmt":"2023-09-10T12:21:05","slug":"submarinos-que-nadan-como-peces","status":"publish","type":"divulgacion-ciencia","link":"https:\/\/tecscience.tec.mx\/es\/divulgacion-ciencia\/submarinos-que-nadan-como-peces\/","title":{"rendered":"Submarinos que nadan \u00a1como peces!"},"content":{"rendered":"

Por Luis Eduardo Garza Casta\u00f1\u00f3n<\/strong><\/a><\/p>\n

Los veh\u00edculos submarinos aut\u00f3nomos (AUVs, por sus siglas en ingl\u00e9s) son robots que realizan diversas tareas como exploraci\u00f3n, b\u00fasqueda, operaciones de inteligencia y reconocimiento, monitoreo de contaminantes, supervisi\u00f3n de infraestructuras, manipulaci\u00f3n de equipos, investigaci\u00f3n y desarrollo mar\u00edtimo. Los principales componentes de estos veh\u00edculos son el casco, los sistemas de control y comunicaciones, los sensores, la fuente de energ\u00eda, y el sistema de propulsi\u00f3n. Los sistemas de propulsi\u00f3n permiten el movimiento en el medio acu\u00e1tico y los m\u00e1s utilizados se basan en h\u00e9lices impulsadas por motores. Sin embargo, los investigadores han descubierto que dichas h\u00e9lices son fuente importante de contaminaci\u00f3n de los ambientes subacu\u00e1ticos, aumentan la mortalidad de las criaturas marinas y alteran los ecosistemas, por lo que la comunidad cient\u00edfica se encuentra en la b\u00fasqueda de m\u00e9todos alternativos de propulsi\u00f3n con mayor eficiencia y menor impacto en el ambiente.<\/p>\n

Desplazamiento de los peces en el agua<\/h2>\n

La naturaleza a trav\u00e9s de muchos a\u00f1os de evoluci\u00f3n ha perfeccionado las habilidades de supervivencia de todas las especies. Es as\u00ed como algunos peces desarrollan una gran velocidad para trasladarse, alimentarse o escapar de sus depredadores. Por ejemplo, el at\u00fan y el delf\u00edn son dos de los peces que pueden nadar m\u00e1s r\u00e1pido en el mar. Ambos pueden alcanzar en tramos cortos velocidades superiores a 60 km\/h. Ellos utilizan como fuente principal de impulso el movimiento r\u00edtmico de una aleta ubicada en la parte posterior del cuerpo llamada aleta caudal. Sin embargo, la orientaci\u00f3n de esta aleta es diferente en ambos peces, ya que en el at\u00fan su posici\u00f3n es vertical y en el delf\u00edn es horizontal. Esto tiene un efecto importante en la fuerza de empuje y la orientaci\u00f3n del cuerpo del pez. La forma de la aleta, los m\u00fasculos conectados a la aleta y un cuerpo con perfil de baja fricci\u00f3n complementan este sistema de propulsi\u00f3n natural.<\/p>\n

Ingenier\u00eda biomim\u00e9tica<\/h2>\n

\u00bfC\u00f3mo podemos aprender de la forma como se impulsan los peces para desarrollar sistemas de propulsi\u00f3n m\u00e1s amigables con el ambiente marino? La respuesta est\u00e1 en la biomim\u00e9tica, una ciencia que toma ejemplos de las creaciones naturales para aplicarlas en el desarrollo de tecnolog\u00edas m\u00e1s eficientes y amigables con el entorno.<\/p>\n

En \u00e9pocas recientes se han empezado a desarrollar un tipo de veh\u00edculos submarinos aut\u00f3nomos biomim\u00e9ticos (BAUVs, por sus siglas en ingl\u00e9s) que viajan con propulsi\u00f3n ondulatoria, tratando de imitar el nado de peces como el at\u00fan. Este movimiento crea una diferencia de presi\u00f3n en el agua al mover una parte de su cuerpo en un patr\u00f3n ondulado. Para generar esa oscilaci\u00f3n se pueden emplear diferentes tipos de mecanismos. La mayor\u00eda de ellos utilizan uno o m\u00e1s motores, trasmisiones mec\u00e1nicas con cierta configuraci\u00f3n y materiales inteligentes. Sin embargo, estos dise\u00f1os presentan varias deficiencias como la generaci\u00f3n de ruido, mayor consumo de energ\u00eda y un empuje de propulsi\u00f3n vectorial unidireccional (es decir el avance se realiza solamente en un eje). El m\u00e1s r\u00e1pido de estos dise\u00f1os alcanza velocidades de hasta 10 BL\/s (siglas en ingl\u00e9s de longitud corporal por segundo).<\/p>\n

Investigaci\u00f3n de vanguardia<\/h2>\n

En el grupo de enfoque en Rob\u00f3tica del Tecnol\u00f3gico de Monterrey, investigadores y alumnos de posgrado desarrollan un novedoso sistema de propulsi\u00f3n para submarinos, que se basa en un mecanismo paralelo de 3 ejes. Est\u00e1 compuesto de 2 plataformas, una fija y una m\u00f3vil (ver Figura 1). Estas plataformas se conectan por 3 motores de desplazamiento lineal distribuidos de manera casi equidistante. En la plataforma m\u00f3vil se conecta una aleta caudal impresa en 3D. Para lograr el movimiento que imita el modo de nado de los peces, primero se posiciona la aleta en modo vertical o horizontal (modo at\u00fan o delf\u00edn) y enseguida se configura el movimiento c\u00edclico de los motores. A\u00fan m\u00e1s interesante, el \u00e1ngulo de posici\u00f3n de la aleta se puede ajustar, permitiendo posiciones intermedias entre la horizontal y la vertical, para tener una propulsi\u00f3n que no existe en la naturaleza.<\/p>\n

La frecuencia de oscilaci\u00f3n de la aleta determina la velocidad de avance en el eje longitudinal, pero tambi\u00e9n contribuye al desplazamiento en los otros dos ejes, adem\u00e1s de generar rotaciones menores alrededor de los 3 ejes coordenados. Esto obliga a considerar el dise\u00f1o de una estrategia novedosa para controlar la navegaci\u00f3n del veh\u00edculo de una manera precisa. Las ventajas de este mecanismo con relaci\u00f3n a los tradicionales son, por un lado, la posibilidad de alcanzar grandes velocidades al incrementar la frecuencia de oscilaci\u00f3n y, por el otro, la generaci\u00f3n de un vector de empuje variable que permite mayor maniobrabilidad. Adicionalmente, el movimiento de los actuadores lineales genera menos ruido que los motores con h\u00e9lice.<\/p>\n

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Figura 1. Mecanismo paralelo de 3 ejes.<\/figcaption><\/figure>\n

Los avances en el nuevo veh\u00edculo<\/h2>\n

El equipo de alumnos y profesores ha realizado avances significativos en este proyecto. Primero, se ha desarrollado un prototipo f\u00edsico (ver Figura 2) que comprende la integraci\u00f3n de los principales componentes: Casco, mecanismo de propulsi\u00f3n y aletas pectorales, sistema electr\u00f3nico de control y comunicaciones, sensores de calidad del agua (turbidez y PH) y c\u00e1mara de video. En los pr\u00f3ximos meses se tienen programadas las pruebas de integraci\u00f3n de los subsistemas, las pruebas en seco y finalmente las pruebas en el agua.<\/p>\n

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Figura 2. Veh\u00edculo submarino aut\u00f3nomo biomim\u00e9tico.<\/figcaption><\/figure>\n

El segundo avance que se ha hecho consiste en el desarrollo de los modelos matem\u00e1ticos del sistema de propulsi\u00f3n, tomando como base el estudio de las fuerzas generadas por el mecanismo paralelo de 3 ejes. Al mismo tiempo, se han estudiado los efectos de esas fuerzas generadas sobre el movimiento del veh\u00edculo en el agua, considerando los principios de hidrodin\u00e1mica. Asimismo, una primera etapa del sistema de control ha sido probada en modo simulaci\u00f3n para comprobar el posicionamiento adecuado de los actuadores lineales.<\/p>\n

Actualmente se dise\u00f1a el sistema autom\u00e1tico de control en lazo cerrado, que va a permitir direccionar el veh\u00edculo a posiciones deseadas bajo el agua. Esto representa una innovaci\u00f3n importante, ya que hasta la fecha los veh\u00edculos desarrollados por la comunidad cient\u00edfica en todo el mundo solamente pueden desplazarse en modo manual, es decir con una persona controlando cada movimiento.<\/p>\n

El futuro<\/h2>\n

El despliegue de submarinos dise\u00f1ados con un enfoque m\u00e1s amigable al medio ambiente va a permitir la realizaci\u00f3n de m\u00faltiples actividades en el entorno marino, sin el impacto negativo que se tiene en la actualidad con los veh\u00edculos submarinos tradicionales. El submarino biomim\u00e9tico dise\u00f1ado en el Tecnol\u00f3gico de Monterrey se va a aplicar en principio al monitoreo de contaminantes disueltos en el agua. Esto va a permitir la construcci\u00f3n de mapas tridimensionales din\u00e1micos precisos, que permitan estudiar a fondo el problema, detectar las posibles fuentes de contaminaci\u00f3n y generar soluciones apropiadas para mitigar el problema.<\/p>\n

El autor<\/h2>\n

Dr. Luis E. Garza Casta\u00f1\u00f3n<\/a><\/strong> es p<\/em>rofesor-investigador asociado del departamento de Mecatr\u00f3nica y El\u00e9ctrica de la zona Monterrey e investigador nivel 1 del Sistema Nacional de Investigadores. Es miembro del Grupo de Enfoque en Rob\u00f3tica. Sus \u00e1reas de inter\u00e9s se relacionan a veh\u00edculos aut\u00f3nomos a\u00e9reos y marinos, supervisi\u00f3n y control avanzado de procesos, sensores e instrumentos, sistemas embebidos y aplicaci\u00f3n de t\u00e9cnicas de inteligencia artificial. Tambi\u00e9n es cofundador de Aixware Technologies, microempresa orientada a proveer soluciones industriales con sistemas embebidos inteligentes.<\/em><\/p>\n

Equipo de investigadores<\/h2>\n