Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

abril 29, 2013

La invasión de los cuadricópteros

Juguetes, armas, herramientas de investigación, las máquinas volantes de cuatro o más rotores son también vanguardia en la investigación robótica.

Cuadricóptero Aeyron Scout en vuelo
(Foto D.P. de Dkroetsch, vía Wikimedia Commons)
Felipe tiene una empresa dedicada a realizar panorámicas fotográficas y recorridos virtuales como los que seguramente todos hemos visto en Internet con los cuales podemos visitar museos, sitios históricos e incluso casas en venta a través de nuestra pantalla. A fines del año pasado empezó a hacer panorámicas aéreas de 360 grados con una inversión realmente mínima. Lo que antes se podía hacer únicamente con un helicóptero y una multitud de permisos para volar a baja altura, lo ha hecho con tres cámaras digitales fijadas a un juguete volador de control remoto con cuatro hélices, un cuadricóptero o cuadrirrotor.

El cuadricóptero es una aeronave de varios rotores que, a diferencia de un helicóptero, que utiliza una hélice vertical (o a veces dos en el mismo eje, que giran en direcciones opuestas), utiliza dos o más rotores para conseguir volar, suspenderse en el aire y realizar complejas maniobras aéreas ya sea mediante mando a distancia o como robots.

Y pueden ser pequeños. Extremadamente pequeños. Los llamados “nanocópteros”, que hoy se pueden adquirir comercialmente como juguetes por menos de cien euros, caben en la palma de la mano. Y los más grandes, que pueden ser más potentes, están controlados por exactamente los mismos elementos de hardware y software.

Son los descendientes más desarrollados de uno de los sueños de Leonardo Da Vinci.

Suspendidos en el aire

Una máquina capaz de despegar verticalemente y quedar suspendida en el aire es un desafío mucho mayor que una que simplemente vuele. El primero en imaginarla fue Leonardo Da Vinci en 1480, su “tornillo de aire”, que, decía, si girara a suficiente velocidad desplazaría el aire como un tornillo de Arquímedes lo hace con el agua.

La palabra “helicóptero” (del griego “helikos”, espiral y “pteron”, ala) antecedió a la primera aeronave capaz de hacer lo que preveía Leonardo. Fue acuñada en 1861 por Gustave de Ponton d'Amécourt, entusiasta del vuelo y amigo de Julio Verne, cuya idea de una aeronave movida por dos hélices verticales fue utilizada por el pionero de la ciencia ciencia ficción en su novela Robur el conquistador.

El primer aparato capaz de lograr la hazaña fue probado en 1870 en Milán por Enrico Forlanini. Sus rotores estaban movidos por una máquina de vapor y consiguió mantenerse inmóvil en el aire unos 20 segundos aunque sólo avanzaba si soplaba el aire. Sin embargo, antes de que Igor Sikorsky consiguiera el primer helicóptero viable tal como los conocemos hoy en día, el experto en aerodinámica George de Bothezat, creó y voló con éxito para el ejército estadounidense una nave dotada de cuatro hélices verticales. Durante 1922 y 1923, el aparato de Bothezat realizó más de 100 vuelos, alcanzando alturas de hasta 9 metros y consiguiendo mantenerse en el aire hasta 2 minutos y 45 segundos. Pero el ejército norteamericano prefirió orientar sus esfuerzos primero al autogiro y después al helicóptero de Sikorsky, que empezó a utilizarse en la Segunda Guerra Mundial.

El cuadricóptero resuelve el principal problema del helicóptero: el giro de la hélice vertical en un sentido hace que el cuerpo de la aeronave tienda a girar en sentido contrario. Para evitarlo, se utiliza un rotor trasero horizontal que impulsa al aparato en sentido contrario al de la hélice. A cambio, presenta otro problema: las cuatro hélices deben estar sincronizadas con enorme precisión o el aparato se desestabilizará rápidamente.

Los cuadricópteros radiocontrolados de juguete llegaron al mercado a principios de los 90 en Japón, aunque su auge comenzó a fines de esa década, dado que sus más apasionantes capacidades dependen de elementos de la más moderna tecnología.

Estas aeronaves están controladas por una pequeña placa madre que contiene una unidad central de procesamiento o CPU, giroscopios, un acelerómetro, controladores de los motores e incluso un GPS.

La estabilidad se la dan sus sensores. Tiene giroscopios que corresponden a los tres ejes que describen un espacio tridimensional y que en aeronáutica se conocen como cabeceo, alabeo y guiñada. Estando de pie, el cabeceo sería el ángulo que tenemos al inclinarnos hacia adelante o hacia atrás, el alabeo sería la inclinación a izquierda o derecha y la guiñada sería el ángulo creado al girar el cuerpo mirando hacia un lado u otro. Con estos tres ejes se puede describir cualquier posición. Mientras, el acelerómetro permite conocer el movimiento en cualquiera de esos tres ejes. Juntos, estos elementos permiten que la CPU sepa cuánto se ha movido, a qué velocidad y en qué dirección, y hacer ajustes delicadísimos a la velocidad de los cuatro rotores para mantener la estabilidad y la dirección de vuelo.

El mismo conjunto de giroscopios y acelerómetros está en los smartphones actuales, permitiéndoles girar la pantalla según la posición del teléfono, usarse como niveles para ajustar ángulos rectos o jugar juegos donde la posición sirve como control. Estos giroscopios y acelerómetros son diminutos aparatos microelectromecánicos (MEMS) en los cuales delicados sensores registran el movimiento de minúsculos trozos móviles de silicio.

Si a estos sensores se añade un GPS, la CPU puede saber su posición exacta en la superficie del planeta. Con sensores de proximidad puede evitar chocar contra objetos que estén en su camino. Y puede tener otros muchos sensores que, junto con la velocidad de procesamiento de la CPU y una programación adecuada permiten que los cuadricópteros se muevan con una exactitud literalmente milimétrica.

Dotados con cámaras, los cuadricópteros pueden permitir una experiencia de vuelo “en primera persona” para quien ve la pantalla, pero también pueden reunir información en lugares inaccesibles para personas, animales u otros aparatos. Esto los ha ido convirtiendo en herramientas útiles para cuerpos de policía y de rescate, para la supervisión industrial en áreas de acceso difícil o riesgoso, como plataformas de fotografía y videografía y, también como herramientas de vigilancia y, algo que inquieta a muchas personas pese a ser inevitable dadas las características de estos dispositivos, el espionaje y vigilancia militares.

Los robots volantes

En la Arena de Máquinas Voladoras del Instituto Federal Suizo de Tecnología se trabaja con enjambres de cuadricópteros controlados de modo inalámbrico por un ordenador central que decide sus movimientos basado en la realimentación de los sensores de las máquinas. Los drones suizos pueden volar en formación, recorrer laberintos y, en una exhibición que se volvió rápidamente viral, construyeron una torre de 6 metros de altura colocando con exquisita precisión 1.500 cubos de espuma.