Microvehículo aéreo

Un microvehículo aéreo ( MAV ), o microvehículo aéreo , es una clase de UAV miniatura portátiles cuyo tamaño les permite ser utilizados en operaciones de apoyo cercano a baja altitud. ^{[ 2 ]} Los MAV modernos pueden ser tan pequeños como 5 centímetros (comparar con Nano Air Vehicle) . El desarrollo está impulsado por organizaciones comerciales, de investigación, gubernamentales y militares; se espera que en el futuro existan aeronaves del tamaño de un insecto. [ 3 ^{] Estas pequeñas} aeronaves permiten la observación remota de entornos peligrosos o de áreas inaccesibles para vehículos terrestres. Los aficionados han diseñado MAV ^{[ 4 ]} para aplicaciones como concursos de robótica aérea y fotografía aérea . ^{[ 5 ]} Los MAV pueden ofrecer modos de vuelo autónomos. ^{[ 6 ]}

En 2008, la Universidad Técnica de Delft (TU Delft) en los Países Bajos desarrolló el ornitóptero más pequeño equipado con una cámara, el DelFly Micro, la tercera versión del proyecto DelFly que comenzó en 2005. Esta versión mide 10 centímetros y pesa 3  gramos, un poco más grande (y más ruidosa) que la libélula en la que se basó. La importancia de la cámara radica en el control remoto cuando el DelFly está fuera de la vista. Sin embargo, esta versión aún no se ha probado con éxito en exteriores, aunque funciona bien en interiores. El investigador David Lentink de la Universidad de Wageningen , quien participó en el desarrollo de los modelos anteriores, DelFly I y DelFly II, dice que se necesitará al menos medio siglo para imitar las capacidades de los insectos, con su bajo consumo de energía y multitud de sensores, no solo ojos, sino también giroscopios , sensores de viento y mucho más. Dice que los ornitópteros del tamaño de una mosca deberían ser posibles, siempre que la cola esté bien diseñada. Rick Ruijsink de la TU Delft cita el peso de la batería como el mayor problema; La batería de iones de litio del DelFly micro, con un gramo, representa un tercio del peso total. Afortunadamente, los avances en este campo siguen siendo muy rápidos, debido a la demanda en diversos sectores comerciales.

Ruijsink afirma que el propósito de estas naves es comprender el vuelo de los insectos y proporcionarles usos prácticos, como volar a través de grietas en el hormigón para buscar víctimas de terremotos o explorar edificios contaminados por radiactividad. Las agencias de espionaje y las fuerzas armadas también ven potencial en estos pequeños vehículos como espías y exploradores. ^{[ 7 ]}

Robert Wood, de la Universidad de Harvard, desarrolló un ornitóptero aún más pequeño, de tan solo 3  centímetros, pero esta aeronave no es autónoma, ya que recibe energía a través de un cable. El grupo logró un vuelo estacionario controlado en 2013 ^{[ 8 ]} , así como aterrizajes y despegues desde diferentes salientes en 2016 ^{[ 9 ]} (ambos dentro de un entorno de seguimiento de movimiento).

El T-Hawk MAV , un micro- UAV VTOL con ventilador entubado , fue desarrollado por la empresa estadounidense Honeywell y entró en servicio en 2007. Este MAV es utilizado por la División de Desactivación de Artefactos Explosivos del Ejército y la Armada de los Estados Unidos para buscar bombas colocadas en carreteras e inspeccionar objetivos. El dispositivo también se desplegó en la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón para proporcionar lecturas de vídeo y radiactividad tras el terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011. ^{[ 10 ]}

A principios de 2008, Honeywell recibió la aprobación de la FAA para operar su MAV, denominado gMAV, en el espacio aéreo nacional de forma experimental. El gMAV es el cuarto MAV en recibir dicha aprobación. El Honeywell gMAV utiliza empuje canalizado para la sustentación, lo que le permite despegar y aterrizar verticalmente y mantenerse en vuelo estacionario. Según la compañía, también es capaz de realizar vuelos hacia adelante a alta velocidad, aunque no se han publicado cifras de rendimiento. La compañía afirma además que la máquina es lo suficientemente ligera como para ser transportada por una persona. Fue desarrollada originalmente como parte de un programa de DARPA , y se espera que su primera aplicación sea con el departamento de policía del condado de Miami-Dade, Florida . ^{[ 11 ]}

En enero de 2010, la Universidad de Tamkang (TKU) en Taiwán logró el control autónomo de la altitud de vuelo de un MAV de alas batientes de 8 gramos y 20 centímetros de ancho. El Laboratorio de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) de la TKU llevaba varios años desarrollando MAV, y en 2007 el Laboratorio de Dinámica Espacial y de Vuelo (SFD) se unió al equipo de investigación para el desarrollo de MAV de vuelo autónomo. En lugar de los sensores y dispositivos computacionales tradicionales, que son demasiado pesados ​​para la mayoría de los MAV, el SFD combinó un sistema de visión estéreo con una estación terrestre para controlar la altitud de vuelo, ^{[ 12 ] [ 13 ]} convirtiéndolo en el primer MAV de alas batientes de menos de 10  gramos que logró el vuelo autónomo.

En 2012, el Ejército Británico desplegó el vehículo aéreo no tripulado Black Hornet Nano de dieciséis gramos en Afganistán para apoyar las operaciones de infantería. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Aunque actualmente no existen verdaderos MAV (es decir, aeronaves a microescala), DARPA ha intentado un programa para desarrollar nanovehículos aéreos (NAV) aún más pequeños con una envergadura de 7,5 centímetros. ^{[ 16 ]} Sin embargo, no se obtuvieron NAV que cumplieran con las especificaciones originales del programa de DARPA hasta 2009, cuando AeroVironment demostró el vuelo estacionario controlado del NAV de alas batientes de DARPA. ^{[ 17 ]}

Más allá de las dificultades en el desarrollo de los MAV, pocos diseños abordan adecuadamente los problemas de control. El pequeño tamaño de los MAV hace que la teleoperación sea impracticable, ya que un piloto en tierra no puede verlos más allá de los 100 metros. Una cámara a bordo que permite al piloto en tierra estabilizar y navegar la aeronave se demostró por primera vez en el Aerovironment Black Widow, pero los microvehículos aéreos no pueden llevar transmisores a bordo lo suficientemente potentes como para permitir la teleoperación. Por esta razón, algunos investigadores se han centrado en el vuelo totalmente autónomo de los MAV. Un ejemplo de ello, diseñado desde su concepción como un MAV totalmente autónomo, es el Entomopter, de inspiración biológica , desarrollado originalmente en el Instituto Tecnológico de Georgia bajo un contrato de DARPA por Robert C. Michelson . ^{[ 18 ]}

Dado que los MAV pueden controlarse de forma autónoma, siguen existiendo importantes problemas de prueba y evaluación. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Algunos de los problemas que podrían encontrarse en vehículos físicos se están abordando mediante simulaciones de estos modelos. ^{[ 21 ]}

La duración limitada del vuelo es otra limitación a la que se enfrentan estos vehículos. Esto es especialmente cierto para los vehículos que pesan menos de 10 gramos, que están restringidos a vuelos de 10 minutos. Los MAV alimentados por energía solar son una solución potencial, pero la capacidad de carga útil y el mal equilibrio entre la generación de sustentación y la eficiencia energética reducen su viabilidad. Sin embargo, Shen et al. (2024) dieron con un vehículo que podría superar estas limitaciones, al que denominaron CoulombFly. El CoulombFly pesa 4,21 gramos, pero puede alcanzar vuelos de 1 hora. Esto se logra con "un sistema de propulsión electrostático con una alta eficiencia de sustentación a energía de 30,7 g W−1 y un sistema de energía ultraligero de kilovoltios con un bajo consumo de energía de 0,568 W". ^{[ 22 ]}

Una nueva tendencia en la comunidad de vehículos aéreos no tripulados (VAN) es inspirarse en insectos o aves voladoras para lograr capacidades de vuelo sin precedentes. Los sistemas biológicos no solo resultan interesantes para los ingenieros de VAN por su uso de aerodinámica inestable con alas batientes, sino que también inspiran cada vez más a los ingenieros en otros aspectos, como la detección y actuación distribuidas, la fusión de sensores y el procesamiento de información. Investigaciones recientes dentro de la USAF se han centrado en el desarrollo de un mecanismo de posado similar al de las aves. Vishwa Robotics y el MIT desarrollaron recientemente un mecanismo de movilidad terrestre y posado inspirado en las garras de las aves, con el patrocinio del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos . ^{[ 23 ]}

Desde el año 2000 se han celebrado con creciente frecuencia diversos simposios que reúnen a biólogos y expertos en robótica aérea ^{[ 24 ] [ 25 ]} , y recientemente se han publicado algunos libros ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} sobre este tema. La bioinspiración también se ha utilizado en el diseño de métodos para la estabilización y el control de sistemas de múltiples MAV. Los investigadores se inspiraron en los comportamientos observados de bancos de peces y bandadas de aves para controlar enjambres artificiales de MAV ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} , y en las reglas observadas en grupos de aves migratorias para estabilizar formaciones compactas de MAV ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ].}

• Thomas J. Mueller, ed. (2002). Aerodinámica de alas fijas y batientes para aplicaciones en microvehículos aéreos . AIAA . ISBN 978-1-56347-517-7.
• Peter Forbes, El pie del gecko: cómo los científicos se inspiran en la naturaleza , Harper Perennial, 2006, págs.  161-179.
• Guo et al., Un microvehículo aéreo de alas batientes elevadas con capacidad de despegue autónomo , publicado en la 31.ª Conferencia China de Control, 2012.

• Delfly.nl Microfotografías de DelFly