Sensores biomiméticos ayudan a guiar a los barcos en alta mar

Cualquiera que haya conducido un barco sabe del esfuerzo que se necesita para mantener el rumbo cuando las corrientes empujan en diferentes direcciones. Para evitar esto, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts de Estados Unidos (MIT) han desarrollado sensores capaces de medir la presión de los flujos de alrededor de un buque de alta mar y así utilizar estas corrientes en lugar de luchar contra ellas, ahorrando energía y mejorando la maniobrabilidad.

Otros trabajos pretenden ir un paso más adelante, cambiando la forma de los flujos que impiden el progreso a formas que sí ayudan a conseguirlo. Todo ello ha sido publicado por la página web del MIT en un comunicado.

Las corrientes que están alrededor de vehículos submarinos autónomos (AUV) y otras embarcaciones -desde buques a submarinos- pueden afectar significativamente su rendimiento. Por ejemplo, cuando un barco va a 20 millas por hora y gira bruscamente, empuja a la corriente de un lado y crea remolinos en la otra, de modo que como resultado, su velocidad puede bajar repentinamente a siete millas por hora.

El comportamiento de las superficies de control, tales como timones y hélices también puede verse afectado. Una hélice funcionando con ondas, por ejemplo, puede experimentar cavitación, un fenómeno en el que las burbujas de vapor se forman alrededor de las aspas, lo que impide un uso adecuado. La prevención de estos fenómenos podría significar un funcionamiento más suave y más eficiente energéticamente. De hecho, los barcos de alta mar son responsables de un 8,6% del total del consumo anual de petróleo del mundo, por lo que incluso un pequeño aumento en la eficiencia podría significar un importante ahorro energético.

Ejemplos del mundo animal

Las criaturas marinas no experimentan este tipo de problemas porque tienen órganos especiales que les permiten percibir su entorno. Muchos peces, con líneas laterales de color oscuro a lo largo de su cuerpo y cabeza, contienen cientos de pequeños sensores de presión y velocidad que perciben a cada momento los cambios en las corrientes marinas, lo que permite a los peces para dar vuelta o tomar una acción más apropiada.

El efecto puede ser asombroso. El pez cueva mexicano, por ejemplo, vive en la más absoluta oscuridad. Como resultado de ello, no tiene ojos y debe navegar usando solamente sus líneas laterales. En un entorno experimental, los peces cueva se mueven a oscuras perfectamente, salvando obstáculos, nadando a través de rocas y grietas.

"Queremos diseñar sensores para nuestros buques que puedan hacer exactamente lo que hacen los peces gracias a las líneas laterales", señala Michael Triantafyllou, profesor de Tecnología Marina, Mecánica e Ingeniería Oceánica del MIT. "Pero aunque conseguimos ideas observando a los peces, no tenemos que usar exactamente el mismo diseño que estos utilizan", explica. En los peces, las líneas laterales están formadas por sistemas de canales llenos de líquido que contienen pelos diminutos que controlan los flujos y envían mensajes directamente al cerebro de los peces”.

"Este es un órgano que no tenemos, por lo que no tenemos ni idea de cómo funciona realmente, pero es genial porque es simple y no requiere el cálculo intenso que necesita la vista, por ejemplo", comenta Triantafyllou, a lo que añade que “la versión de ingeniería también debe generar señales simples de modo que -sin usar un gran ordenador- se sepa inmediatamente lo que está pasando y se puedan tomar medidas".

Para diseñar y fabricar los sensores de presión, Triantafyllou acudió a los Laboratorios de Microsistemas Tecnológicos (MTL) del MIT. Allí, los expertos realizaron varios modelos de bajo costo, utilizando sensores de alto rendimiento basados en los sistemas microelectromecánicos (MEMS), tecnología que emplea pequeños dispositivos mecánicos que funcionan con electricidad.

Un equipo del MTL, dirigido por Jeffrey Lang, profesor de Ingeniería Eléctrica, diseñó unos sensores de presión, cada una de ellos con una cavidad de dos milímetros de ancho cubierto por una membrana de silicona de 20 micras de espesor que se dobla dependiendo de la presión. Un medidor de tensión de metal en la superficie de cada uno de los sentidos de la desviación de membrana genera una señal que indica la presión. Los sistemas electrónicos amplían e integran las señales de todos los sensores, generando una información sobre la presión que puede visualizarse continuamente on line.

En las pruebas realizadas ya en pequeñas embarcaciones y hélices, el conjunto de sensores resultó ser más robusto y sensible de lo esperado. En una serie de experimentos, Triantafyllou y sus colegas del Centro de Ingeniería Oceanográfica del MIT dotaron a una pequeña embarcación con sensores en lugares que imitan donde los tienen los peces. También instalaron sensores disponibles en el mercado que generan mediciones fiables para la comparación y la orientación. Luego se realizaron experimentos en los 108 metros de largo del tanque del MIT con un generador de olas.

En esos experimentos, se simuló una situación común: un barco se desplaza en línea recta, pero la dirección de corriente se acerca a cierto ángulo, que obliga al buque a emplear mucha energía para contrarrestar esa fuerza. Un enfoque más eficiente desde el punto de vista energético sería ir directamente hacia la corriente todo el tiempo posible y luego doblar,como si un velero hiciera bordadas en el viento. De este modo, las mediciones que se realizan de la presión podrían intentar ejecutar este tipo de maniobra, y así ahorrar energía.

Para repetir esta situación, los investigadores impulsan la nave directamente en sentido contrario al flujo desde el generador de olas y después a un ángulo que va en aumento. A medida que aumenta el ángulo, las asimetrías de la presión aumentarán significativamente. La combinación de baja presión en un lado y de alta presión en el otro crea una fuerza de arrastre que debe ser superada, lo cual supone un gran gasto de energía.

"El efecto es muy perceptible", apunta Triantafyllou. "Estas fuertes señales de presión pueden guiarnos a medida que desarrollemos técnicas para navegar y maniobrar de manera más eficiente".

La detección de remolinos

Otra de las investigaciones realizadas por este equipo tiene por objeto detectar los remolinos, que también pueden afectar drásticamente a la navegación. Una vez más, los peces usan sus líneas laterales para identificar los remolinos. Así, por ejemplo, se observó en un vídeo cómo un grupo de truchas en un tanque sufrieron el efecto de dos remolinos, primero de un lado y luego del otro. Las truchas utilizaron sus líneas laterales para detectar los remolinos y emplearon su fuerza de succión para permanecer en el mismo lugar sin nadar, ahorrando energía.

Para poner a prueba la capacidad de las truchas para identificar remolinos, los investigadores utilizaron de nuevo el mismo tanque. Para estas pruebas, se echaron en el agua pequeñas partículas y se utilizó un rayo láser que iluminaba desde el fondo, y que permitió observar los patrones de flujo sin molestar a los peces. Cuatro sensores midieron la presión generada por los remolinos a través del tanque. A partir de las señales de presión de los sensores, un modelo de flujo estimó la posición y la fuerza exacta de los remolinos, así el modelo puede detectar con precisión el comportamiento de los remolinos dentro del tanque.

Triantafyllou y su equipo están desarrollando métodos de control de flujos o corrientes que interfieren con la propulsión y maniobrabilidad. En uno de los proyectos, se diseñó un vehículo sumergible con forma de torpedo, que contaba con diferentes sensores de presión y dos pequeños cilindros de rotación en los laterales. Cuando el sumergible se dirige a un lado en dirección contraria a la corriente, los sensores de presión detectan la formación de remolinos y comienzan a girar los pequeños cilindros. Éstos giran en direcciones opuestas, creando una succión que impide inmediatamente la formación de remolinos.

El equipo también está estudiando otro posible modelo procedente del mundo animal: los bigotes de las focas. Este órgano tiene una notable capacidad para detectar las velocidades de los flujos. Según varios experimentos, una foca con los ojos vendados puede detectar el paso de un pez gracias a sus bigotes, que registran cambios en la velocidad del flujo incluso hasta 30 segundos después de que su presa haya pasado.

Los investigadores recientemente adquirieron bigotes de focas del Acuario de Nueva Inglaterra en Boston para así desarrollar modelos a gran escala de estas elaboradas estructuras y programar simulaciones por ordenador para ver su funcionamiento. "Estamos tratando de entender por qué estos bigotes funcionan tan bien", cuenta Triantafyllou. "Una vez más, esperamos emular la capacidad de las criaturas de alta mar para sentir las corrientes a su alrededor, el cual es un requisito previo para el desarrollo de buques más eficientes a nivel energético, así como fáciles de manejar".