Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

La naturaleza ha dominado durante mucho tiempo el arte de moverse entre mundos. Los peces no solo nadan; saltan. Para escapar de un depredador, superar una cascada o atrapar una presa en el aire, un pez debe inclinar su nariz hacia arriba, acelerar con una súbita ráfaga de potencia y mantener ese ángulo pronunciado hasta romper la superficie del agua. Esta maniobra requiere un delicado equilibrio de fuerzas: la capacidad de generar una inmensa propulsión en un instante, la precisión para controlar su ángulo al salir del agua y la estabilidad para mantener su trayectoria recta contra la turbulencia caótica de la superficie. Durante décadas, los ingenieros han construido robots submarinos que pueden nadar con una velocidad impresionante o imitar la grácil ondulación de un pez, pero pocos han logrado replicar con éxito este acto específico de salir del agua. La mayoría de las máquinas submarinas están diseñadas para permanecer sumergidas, y aquellas que intentan saltar suelen carecer del control necesario para hacerlo de manera fiable, dando vueltas fuera de alineación o sin lograr superar la superficie por completo.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Colorado Boulder ha construido ahora un pequeño robot que resuelve este problema, creando una máquina capaz de nadar bajo el agua, saltar al aire y aterrizar de nuevo en el agua con la misma fluidez que un pez. El dispositivo tiene el tamaño de la palma de una mano, mide solo 65 milímetros de longitud y pesa apenas 34 gramos, pero realiza una secuencia compleja de acciones que desafía los límites de lo que pueden hacer los pequeños robots submarinos. Al apilar dos hélices verticalmente y añadir un timón de cola, el equipo creó una plataforma que no solo puede nadar a velocidades de 13,9 longitudes corporales por segundo, sino que también puede inclinar su nariz hacia arriba hasta una posición vertical en menos de un segundo. Cuando se lanza, supera un obstáculo de 1,6 longitudes corporales de altura y viaja 3,7 longitudes corporales horizontalmente antes de caer al agua. En un arroyo natural con agua corriente, el robot logró saltar aún más alto, alcanzando 2,8 longidades corporales por encima de la superficie, demostrando que su diseño funciona incluso en las condiciones desordenadas e impredecibles del mundo real.

El secreto del éxito de este robot reside en cómo imita la física de un pez sin copiar exactamente su forma. En lugar de utilizar una cola que aletea, lo cual es difícil de controlar para ráfagas repentinas de velocidad, los investigadores eligieron hélices. Montaron dos pequeños motores de alta velocidad uno encima del otro dentro de un cuerpo impermeable impreso en 3D. Al hacer girar la hélice superior más rápido que la inferior, o viceversa, el robot puede inclinar su nariz hacia arriba o hacia abajo con gran precisión. Este empuje diferencial actúa como una palanca, permitiendo que el robot cambie su ángulo rápidamente. Para evitar que el robot gire lateralmente mientras se mueve, añadieron un pequeño timón de cola entre las dos hélices. Este timón actúa como el timón de un bote, dirigiendo al robot a la izquierda o a la derecha para mantenerlo en un camino recto. El cuerpo en sí tiene la forma de un perfil aerodinámico, un diseño tomado de la aviación que permite que el agua fluya suavemente sobre su superficie. Las simulaciones por computadora mostraron que esta forma reduce la resistencia al arrastre cinco veces en comparación con una caja simple del mismo tamaño, permitiendo que el robot se mueva más rápido y use menos energía.

Los investigadores probaron el robot primero en un tanque de agua de laboratorio, donde pudieron medir cada movimiento con cámaras de alta velocidad y sensores. Programaron al robot para que siguiera una serie de comandos: nadar recto, inclinar la nariz hacia arriba hasta un ángulo específico, acelerar hacia la superficie y luego saltar. La computadora interna del robot comprueba constantemente su orientación utilizando un sensor que mide la rotación y la gravedad, ajustando la velocidad de las dos hélices cientos de veces por segundo para mantenerse en curso. En estas pruebas, el robot pudo mantener un ángulo de inclinación constante incluso cuando los investigadores lo golpeaban para simular una perturbación, corrigiendo su posición en un segundo. Cuando el robot estaba listo para saltar, inclinaba su nariz a 65 grados, aceleraba y atravesaba la superficie del agua. Sin el timón, el robot a menudo giraba lateralmente al salir del agua, perdiendo su dirección. Con el timón activado, se mantenía perfectamente alineado, disparándose hacia arriba y hacia adelante.

Luego, el equipo llevó al robot fuera del laboratorio y a Boulder Creek, un arroyo natural con agua en movimiento y turbulencia. Aquí, el desafío era mucho mayor. El flujo del agua intentaba desviar al robot de su curso, y la superficie estaba agitada. A pesar de estas condiciones, el robot ejecutó el salto con éxito. Nadó contra la corriente, inclinó la nariz y se lanzó fuera del agua, alcanzando una altura de 2,8 longitudes corporales. Cuando el timón se apagó durante estas pruebas exteriores, el robot no pudo mantener su trayectoria, realizando giros erráticos y aterrizando lejos de su objetivo previsto. Esto confirmó que el timón era esencial para la estabilidad, no solo en la calma de un tanque, sino en el entorno dinámico de un río real. La capacidad del robot para realizar toda esta secuencia —nadar, inclinarse, saltar y regresar— demuestra un nuevo nivel de agilidad para las pequeñas máquinas submarinas.

Este trabajo sugiere que los pequeños robots podrían pronto utilizarse para inspeccionar áreas que actualmente les son inaccesibles. Muchos sistemas submarinos, como tuberías, presas y estructuras inundadas, tienen barreras como vertederos o huecos secos entre pozas que impiden que un robot avance. Una máquina que pueda nadar bajo el agua y luego saltar sobre estos obstáculos podría navegar a través de entornos complejos, inspeccionando infraestructuras o monitoreando la calidad del agua en lugares donde antes era imposible ir. Los investigadores señalan que su prototipo actual todavía está conectado a una fuente de energía mediante un cable delgado, pero los principios que han demostrado proporcionan un plano para futuras versiones sin cables. Al perfeccionar el tamaño de la batería y el diseño de la hélice, una versión totalmente autónoma podría algún día saltar de poza en poza, explorando los rincones ocultos de los arroyos y los sistemas industriales con la misma facilidad que el pez que la inspiró.