El viento corriendo entre los rascacielos es un obstáculo importante para cualquier persona interesada en la operación de drones en zonas urbanas. Sin embargo, las palomas parecen tener poco problemas para maniobrar a través de los cielos de una ciudad turbulenta.
El estudiante de posgrado Marc E. Deetjen entrena un perico para volar entre perchas. Crédito: L.A. Cicero
Con la mirada puesta en abrir los secretos de la navegación suave de las aves, investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo método para registrar la forma de las alas de los pájaros durante el vuelo.
"Estamos tratando de averiguar cómo los pájaros son capaces de volar tan bien en estos entornos complejos y turbulentos y mucho de eso viene de cómo deforman la forma de sus alas, la izquierda versus derecha, para ajustarse rápidamente a las ráfagas ," dijo David Lentink, profesor asistente de ingeniería mecánica.
Las aves transforman sus alas a través de una gama increíble de formas, pero hasta ahora hemos sabido poco sobre el ángulo, giro y las asimetrías de cada golpe de ala. Después de siete años de desarrollo, el laboratorio Lentink puede haber averiguado cómo observar más de cerca habilidades transformistas de las aves. Ha creado una nueva forma de forma de ala que funciona a altas velocidades y los resultados en reconstrucciones 3D de alta definición de grabación automáticamente. Detalles de su trabajo se publican en el número 27 de marzo del Journal of Experimental Biology.
Grabación de movimiento animal
Las técnicas actuales de grabación de animales en movimiento a menudo dependen de seguimiento de marcadores adheridos al animal o a características del animal como rayas o manchas, un enfoque que no puede directa o automáticamente reconstruir una superficie de ala completa en alta resolución. Otros métodos, que utilizan la luz de modelado, se automatizan más fácilmente pero son demasiado lentas a vuelo de pájaro récord.
El laboratorio Lentink se ha basado en las técnicas anteriores de luz estructurada, pero su versión resuelve automáticamente cambios en la forma corporal a gran velocidad y en alta resolución.
"Lo bueno de este sistema es la primera reconstrucción totalmente automatizada, de alta velocidad de aves en el mundo," dijo Marc Deetjen, un estudiante graduado en el Lentink laboratorio y principal autor del artículo.
La configuración del grupo consiste en una cámara de video sincronizada con un proyector que proyecta dos patrones superpuestos de la luz. La primera capa es una cuadrícula densa que, cubriendo gran parte de la superficie de las aves, da a los investigadores una imagen de alta resolución. La segunda es un conjunto de líneas desigualmente espaciadas, como un código de barras, proyectada perpendicular a la primera. El segundo patrón irregular asegura que no hay dos áreas del campo ligero que se parezcan. Cuando el ave vuela a través de estos patrones, su cuerpo actúa como una pantalla del proyector y las líneas rectas de luz se deforman sobre la base de la forma del pájaro.
Un algoritmo desarrollado por Deetjen coincide con el patrón deformado en el pájaro que es capturado por la cámara con el patrón previsto original. Entonces se produce una reconstrucción 3D detallada de cómo el pájaro se movió a través del campo de luz.
Vuelo de prueba
Para probar su técnica, los investigadores entrenan a Gary, un perico de 4 años de edad para volar desde un sitio a otro, con la rejilla de luz proyectada sobre el pájaro cuando despegó. La luz de color de Gary permitió a la cámara capturar un patrón de luz clara, como una pantalla de proyector casi blanca. Para este trabajo, el Grupo registró sólo la superficie del ave, pero múltiples cámaras pueden crear una reconstrucción de todo el cuerpo en el futuro.
Los investigadores intentaron esto como una simple prueba de su sistema pero terminaron con una visión tan inesperada e intrigante, pensaron que era un error. Después de grabar una porción de cuatro bajadas de Gary, calcularon el ángulo aerodinámico eficaz de ataque del pájaro, cuánto el ala gira hacia atrás – y era constantemente entre los grados 55 y 75 grados en el primer descenso y 45 grados y 60 grados en el segundo.
Puesto que la mayoría de los aviones se detiene cuando el ángulo de ataque alcanza aproximadamente 15 grados, porque incluso este ángulo puede crear arrastre tan significativo que el flujo de aire se separa del ala, dando por resultado la elevación reducida. Los investigadores concluyeron que las aves realmente están apoyando su peso corporal mediante arrastre orientado hacia arriba. Además, la elevación que genera se gira hacia adelante por lo que funciona como empuje.
"Son realmente capaces de generar más fuerza total en la elevación," dijo Deetjen. "Les permite no solo subir y superar gravedad sinó también acelerar hacia adelante."
Detalles como este podrían acercarnos a replicar el despegue eficiente y agudo de los pájaros en pequeñas máquinas voladoras, como drones, que son una especialidad del laboratorio Lentink. Para su próximo paso, los investigadores están planeando aplicar esta técnica en un túnel de viento de aves especializado para investigar los muchos misterios del vuelo del pájaro en turbulencia.
Aunque el equipo analizó la técnica de vuelo del pájaro, podría aplicarse a muchas formas de movimiento. Por ejemplo, puede mostrar lo que sucede con la forma de un automóvil durante un accidente simulado. Lentink dice que también ha estado hablando con un científico que estudia las serpientes voladoras en Borneo que podrían querer probar la técnica.