Existe una extensa investigación sobre cómo un colgajo de posición fija afecta la sustentación en el ámbito de la interacción fluido-estructura. Sin embargo, tomando la conversación en una nueva dirección, los investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign realizaron un estudio bioinspirado con un giro novedoso, la rigidez variable, para obtener más información sobre cómo afecta la sustentación.

Los investigadores se preguntaron si podrían modelar una aleta en una superficie aerodinámica, o ala, con rigidez variable a lo largo del tiempo, de la misma manera que un pájaro puede tensar o endurecer la musculatura y los tendones conectados a las plumas ocultas.

« Sabemos por estudios anteriores que tener un flap con cierta rigidez podría ayudar a aumentar la sustentación en el régimen de pérdida », dijo Andrés Goza, profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la UIUC. « Entonces, eso planteó la pregunta : ¿Qué pasaría si pudieras ajustar la rigidez? ¿Cuánto beneficio habría? »

Los resultados del estudio mostraron un gran beneficio. « Nuestro colgajo con una rigidez variable fue mejor que no tener colgajo en un 136 por ciento y un 85 por ciento mejor que el mejor colgajo de rigidez individual posible de un estudio anterior que realizamos ».

Goza y su alumno Nirmal Nair modelaron un actuador de rigidez variable en una aleta articulada a un perfil aerodinámico a través de un resorte de torsión para crear un controlador híbrido que cambia la rigidez con el tiempo. La aleta en sí no puede caerse ni doblarse de ninguna manera. La rigidez se refiere a la fuerza con la que el resorte torsional sujeta la aleta.

« En la simulación, entrenamos un controlador que determinó un valor específico en el espectro de muy rígido a muy suelto. El controlador se construyó usando aprendizaje de refuerzo y se entrenó para seleccionar una rigidez para mejorar la sustentación en el perfil aerodinámico », dijo Goza.

« Usando los actuadores de rigidez variable, obtenemos los cambios en los valores de rigidez del resorte. El resorte es un modelo simplificado. En la práctica, esta funcionalidad se puede implementar usando actuadores de rigidez variable, aunque este es un paso no trivial que requeriría un nuevo esfuerzo de investigación, más allá del alcance de lo que vimos. Los resultados de nuestro paradigma de rigidez ajustable se compararon con el mejor caso posible de rigidez única, obtenido al construir un mapa de rendimiento para varias simulaciones diferentes correspondientes a un solo valor de rigidez cada una ».

Goza dijo que las mejoras de sustentación se logran debido a las oscilaciones de los flaps de gran amplitud, ya que la rigidez varía en cuatro órdenes de magnitud.

« Durante las primeras nueve unidades de tiempo, el controlador probó diferentes rigideces y aprendió lo que sucedió », dijo Goza. « Luego lo soltamos por el resto de la simulación : en un momento dado, decide cambiar la rigidez y adaptarse activamente con el tiempo en función de lo que está haciendo el flujo para obtener un impulso en la sustentación ».

Goza dijo que es complicado desarrollar una estrategia de control como esta.

« A medida que cambia la rigidez, la aleta se mueve. Luego, el movimiento de la aleta cambia el flujo de aire a su alrededor, por lo que se produce un acoplamiento complejo », dijo Goza. « Ahora, la aleta responderá de manera diferente al cambio del campo de flujo a su alrededor y, a medida que cambia el campo de flujo, la respuesta de la aleta cambiará nuevamente. Simular este acoplamiento bidireccional es una fuente de complejidad.

« Un punto fuerte de nuestro trabajo es que modelamos todo eso. Tomamos en cuenta por completo el acoplamiento bidireccional entre el movimiento estructural y la respuesta. Y eso es clave para desarrollar un controlador preciso. Necesitamos poder decir, cuando cambie la rigidez, aquí está la interacción que ocurrirá y aproveche eso para darle un mejor impulso ».

Goza dijo que la mayoría de las veces, cuando la gente piensa en el control, se trata de retroalimentación. Recibimos información sobre un sistema, luego usamos esa información para tomar una decisión. Hay consecuencias, y sigues autocorrigiendo.

« Este controlador híbrido ajusta la rigidez, pero lo llamamos híbrido porque no controlamos directamente el movimiento del flap. Solo decimos que el flap tiene una rigidez específica, y voy a activar eso y cambiar la rigidez. Todo lo que lo que sucede a continuación se basa en la física de esa rigidez. El colgajo sentirá lo que sucede en el flujo y comenzará a desplegarse por sí solo. Y comenzará a inducir estas otras dinámicas ».

Goza dijo que la aplicación más natural para esta investigación son los vehículos desocupados que tienen computadoras a bordo.

« Para estos aviones más pequeños, las ráfagas pueden tener un impacto mucho mayor », dijo Goza. « Deben ser más maniobrables, por ejemplo, en los desastres naturales puede ser necesario llegar a un lugar donde los humanos no puedan viajar fácilmente ».

Agregó que el cálculo tiene utilidad « porque puede permitir que el controlador varíe la rigidez en 4 órdenes de magnitud, y cualquiera que sea el número resultante, solo se usa en la simulación. No está limitado por limitaciones físicas. Eso nos permite explorar parámetros espacios que de otro modo no conoceríamos, y usar eso como un trampolín para motivar a los experimentadores inteligentes a realizar estos rangos de parámetros.

« En este punto de la investigación, los diseños estructurales que experimentan los cambios de rigidez requeridos no existen. Entonces, de esta manera, la computación puede inspirar a los científicos de materiales a desarrollar nuevos materiales/paradigmas de diseño estructural que puedan hacerlo », dijo Goza.