Un micro-helicóptero robótico descubre el mecanismo de vuelo de los insectos

Un equipo de investigadores dirigido por Nicholas Franceschini, del CNRS (Centro Nacional de Investigaciones Científicas francés), ha descubierto, gracias a la ayuda de un robot volador fabricado específicamente para esta investigación, cómo los insectos voladores reales se sirven de indicios visuales para despegar, mantener su altitud y posarse. Financiado por la UE, dentro del Quinto Programa Marco, y por el CNRS, este trabajo ha sido publicado por la revista Current Biology.

De la misma manera que los pilotos humanos, los insectos utilizan su visión para pilotar en el aire. Las señales eléctricas procedentes de sus ojos activan, por medio de neuronas especializadas, los músculos de las alas, permitiendo al animal dirigir su vuelo y evitar los choques.

Pero, además, estas mismas neuronas estarían implicadas también en una especie de piloto automático, tal y como acaban de demostrar Franceschini, Franck Ruffier y Julián Serres, especialistas de biorobótica del laboratorio Mouvement et perception (CNRS/Universidad del Mediterráneo), de Marsella, evidenciando así la existencia de un automatismo denominado “regulador de flujo óptico” (FO), que dirigiría la fuerza de sustentación. Para alcanzar estos resultados, los investigadores desarrollaron un modelo de vuelo de un insecto a partir de experimentos realizados con el robot volador, OCTAVE, un micro helicóptero capaz de reproducir numerosos comportamientos naturales enigmáticos.

Así, a pesar de la ausencia de sofisticados instrumentos como los que usan los pilotos humanos, los insectos y otros animales voladores pueden controlar su distancia con respecto al suelo.

Mecanismo regulador interno

Cuando un insecto vuela hacia delante, la imagen del suelo por debajo de él desfila hacia atrás a través de su campo visual y a una velocidad inversamente proporcional a la altura a la que el insecto se encuentra con respecto al suelo. En otras palabras, el suelo parece desplazarse más rápidamente a menor que a mayor altura.

Los investigadores han lanzado la hipótesis de que los insectos poseen un mecanismo regulador interno de flujo óptico, que emplea un bucle de retorno para medir la relación entre la velocidad del suelo y la altura en la que se encuentran. Gracias a este mecanismo, si el suelo parece desplazarse demasiado lentamente, el insecto desciende hasta que el suelo desfila ante sus ojos a una velocidad óptima según su FO, y si se desplaza demasiado rápidamente, el insecto se eleva.

Los investigadores han constatado que el robot reproducía numerosos esquemas de comportamiento del vuelo de los insectos, observados durante años. Por ejemplo, cuando las mariposas migratorias deben atravesar un desfiladero no se conforman con sobrevolarlo, sino que descienden a lo largo de un flanco, atraviesan el fondo y remontan al otro lado a lo largo de otro flanco. De la misma forma, si deben sobrevolar un obstáculo, como un bosque, lo hacen a la misma altura con respecto a los árboles que a la que volarían con respecto al suelo.

El modelo del FO explicaría igualmente porqué los insectos vuelan más bajo cuando tienen el viento de frente. Se debería a que este viento provoca una disminución de la aparente velocidad de desfile del suelo, de manera que los insectos descenderían hasta ver el paso del suelo a una velocidad “apropiada”. Por el contrario, si el viento arrecia de manera que el suelo parece desplazarse a mayor velocidad, los insectos elevan la altura de sus vuelos.

Estas reacciones al viento han sido descritas muchas veces en insectos e incluso en pájaros. Estos fenómenos también fueron observados en el micro-helicóptero, cada vez que éste se encontraba un viento frontal producido de manera artificial en un laboratorio, lo que corrobora la idea de que los seres alados vienen equipados con un regulador natural de flujo óptico.

No siempre infalible

Sin embargo este sistema innato no es siempre infalible. En los años 60, un estudio constató que las abejas que vuelan por encima de una superficie plana de agua tienen tendencia a volar cada vez más bajo, hasta que se zambullen directamente en ella. Cuando el agua ondula, por el contrario, consiguen mantener sin dificultad una altura de vuelo apropiada.

Gracias al presente estudio, los autores han podido explicar que este fenómeno se debe a que una superficie de agua completamente inmóvil no proporciona los elementos contrastantes necesarios para los ojos de las abejas y que, por tanto, los captores del FO no reaccionan. El resultado es una señal errónea del sistema, que obliga al insecto a descender hasta que choca contra el agua. “Esta tendencia catastrófica también fue reproducida por el micro-helicóptero, cuando introdujimos la ausencia de contraste visual a nivel del suelo”, afirman los científicos.

El despegue y el aterrizaje se realizan igualmente gracias al regulador de FO. En el despegue, el balanceo de la parte delantera del helicóptero hacia delante provoca un aumento de la velocidad del suelo, lo que impone la ascensión y, en el aterrizaje, el balanceo de la parte delantera del helicóptero hacia atrás produce una desaceleración y, en consecuencia, un descenso.

Millones de años de pruebas

« Nuestro procedimiento de control explica como los insectos consiguen volar con total seguridad sin los instrumentos utilizados en los aviones para medir la altitud, la velocidad de desfile del suelo y la velocidad de descenso », escriben los investigadores. “Un regulador de flujo óptico es relativamente simple al nivel de su puesta en marcha y también resulta tan apropiado para los insectos como lo sería para un avión”.

En la base de estos sorprendentes comportamientos se encuentran, escondidos en la “cabina” de los insectos, unas neuronas detectoras del movimiento que son auténticos sensores del flujo óptico. El equipo descifró pacientemente su funcionamiento, utilizando microelectrodos ultrafinos (de una milésima de milímetro de diámetro) y un microscopio especial fabricado a tal efecto. Luego, el principio de comportamiento fue transcrito en un microcircuito electrónico, cuya versión más reciente sólo pesa 0,2 gramos. Esta es la neurona que hace el trabajo esencial a bordo del micro-helicóptero.

La investigación ilustra el trabajo realizado por la innovadora ciencia de la biorobótica, en la que el equipo marsellés se inició a principios de 1985. El método consiste en ayudarse de reconstrucciones robóticas para probar los principios biológicos, percibidos inicialmente de manera confusa. Una colaboración entre biología y robótica permite afinar la comprensión de estos principios ocultos, subyacentes al comportamiento animal. Unos principios que llevan millones de años probándose y que podrían ser aplicados al sector aeroespacial.




Christophe Jacquemin es Doctor en Geofísica y Máster en comunicación científica y técnica. Este artículo se publicó originalmente en la revista Automates Intelligents, de la que el autor es editor junto a Jean Paul Baquiast. Se reproduce con autorización. Traducción del francés: Yaiza Martínez.