Las moscas de la fruta pueden compensar rápidamente las lesiones catastróficas de las alas, según descubrieron los investigadores, manteniendo la misma estabilidad después de perder hasta el 40% de un ala. Este hallazgo podría informar el diseño de robots versátiles, que enfrentan el desafío similar de tener que adaptarse rápidamente a los percances en el campo.

El equipo dirigido por Penn State publicó sus resultados hoy (18 de noviembre) en Science Advances.

Para ejecutar el experimento, los investigadores alteraron la longitud del ala de las moscas de la fruta anestesiadas, imitando una lesión que pueden sufrir los insectos voladores. Luego suspendieron las moscas en un anillo de realidad virtual. Imitando lo que verían las moscas cuando estuvieran en vuelo, los investigadores reprodujeron imágenes virtuales en pequeñas pantallas en el anillo, haciendo que las moscas se movieran como si volaran.

«Descubrimos que las moscas compensan sus lesiones al batir el ala dañada con más fuerza y ​​reducir la velocidad del ala sana», dijo el autor correspondiente Jean-Michel Mongeau, profesor asistente de ingeniería mecánica de Penn State. «Logran esto mediante la modulación de señales en su sistema nervioso, lo que les permite afinar su vuelo incluso después de una lesión».

Al batir su ala dañada con más fuerza, las moscas de la fruta intercambian algo de rendimiento, que disminuye solo ligeramente, para mantener la estabilidad al aumentar activamente la amortiguación.

«Si conduces por una carretera pavimentada, la fricción se mantiene entre los neumáticos y la superficie, y el auto es estable», dijo Mongeau, comparando la amortiguación con la fricción. «Pero en una carretera helada, hay una disminución de la fricción entre la carretera y los neumáticos, lo que provoca inestabilidad. En este caso, una mosca de la fruta, como conductor, aumenta activamente la amortiguación con su sistema nervioso en un intento por aumentar la estabilidad».

El coautor Bo Cheng, profesor asociado de ingeniería mecánica de Penn State Kenneth K. y Olivia J. Kuo Early Career, señaló que la estabilidad es más importante que la potencia para el rendimiento de vuelo.

«Bajo el daño del ala, tanto el rendimiento como la estabilidad normalmente se verían afectados; sin embargo, las moscas usan una ‘perilla interna’ que aumenta la amortiguación para mantener la estabilidad deseada, incluso si eso conduce a una mayor disminución del rendimiento», dijo Cheng. «De hecho, se ha demostrado que es la estabilidad, en lugar de la potencia requerida, lo que limita la maniobrabilidad en las moscas».

El trabajo de los investigadores sugiere que las moscas de la fruta, con solo 200 000 neuronas en comparación con los 100 000 millones de los humanos, emplean un sistema de control motor flexible y sofisticado que les permite adaptarse y sobrevivir después de una lesión.

«La complejidad que hemos descubierto aquí en las moscas no tiene comparación con ningún sistema de ingeniería existente; la sofisticación de la mosca es más compleja que la de los robots voladores existentes», dijo Mongeau. «Todavía estamos lejos en el lado de la ingeniería para tratar de replicar lo que vemos en la naturaleza, y este es solo otro ejemplo de hasta dónde tenemos que llegar».

Con entornos cada vez más complejos, los ingenieros enfrentan el desafío de diseñar robots que puedan adaptarse rápidamente a fallas o percances.

«Los insectos voladores pueden inspirar el diseño de robots y drones aleteantes que pueden responder de manera inteligente al daño físico y mantener las operaciones», dijo el coautor Wael Salem, candidato a doctorado en ingeniería mecánica de Penn State. «Por ejemplo, diseñar un dron que pueda compensar un motor roto en vuelo, o un robot con patas que pueda confiar en sus otras patas cuando una se da por vencida».

Para estudiar el mecanismo por el cual las moscas compensan el daño de las alas durante el vuelo, los colaboradores de la Universidad de Colorado Boulder crearon un prototipo de robot de un ala mecánica, similar en tamaño y función a la de una mosca de la fruta. Los investigadores cortaron el ala mecánica, replicando los experimentos de Penn State y probaron las interacciones entre las alas y el aire.

«Solo con un modelo matemático, necesitamos hacer suposiciones simplificadas sobre la estructura del ala, el movimiento del ala y las interacciones entre el aire y el ala para que nuestros cálculos sean manejables», dijo el coautor Kaushik Jayaram, profesor asistente de ingeniería mecánica. en la Universidad de Colorado Boulder. “Pero con un modelo físico, nuestro prototipo de robot interactúa con el mundo natural como lo haría una mosca, sujeto a las leyes de la física. Por lo tanto, esta configuración captura las complejidades de las complejas interacciones entre las alas y el aire que aún no comprendemos por completo. »

Además de Mongeau, Cheng, Salem y Jayaram, los coautores incluyen a Benjamin Cellini, Departamento de Ingeniería Mecánica de Penn State; y Heiko Kabutz y Hari Krishna Hari Prasad, Universidad de Colorado Boulder.

La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Beca de Investigación Alfred P. Sloan apoyaron este trabajo.