Un robot che imita le aves acquatiche potrebbe cambiare il modo in cui pensiamo alle macchine volanti. Al mondo esistono circa 100 specie di uccelli, come la pulcinella di mare o il cormorano, capaci di volare e insieme di tuffarsi e nuotare sott’acqua. E qui sta la stranezza affascinante. L’acqua ha una densità mille volte superiore a quella dell’aria, eppure questi animali se la cavano in due ambienti fisici totalmente diversi usando le stesse ali. Osservarli da vicino in natura è quasi impossibile, quindi il meccanismo che glielo permette resta in buona parte un enigma.
Per provare a scioglierlo, un gruppo di ricerca del Massachusetts Institute of Technology e dell’École Polytechnique Fédérale di Losanna ha messo a punto il FAAV, un robot alato capace di volare, immergersi e ridecollare dalla superficie dell’acqua. Attraverso prove in vasca e nel lago, e dopo aver individuato la combinazione migliore tra dimensione delle ali, frequenza di battito e angolo della coda, il progetto punta a capire come fanno gli uccelli tuffatori a muoversi tanto in aria quanto in acqua.
Il robot alato: ali versatili grazie alla flessibilità
“Uccelli come la pulcinella atlantica non solo volano ad alta velocità, ma riescono anche a immergersi e nuotare a 3 metri al secondo”, spiega Raphaël Zuffre, docente aggiunto del MIT specializzato in ingegneria meccanica. “Sapevamo che era possibile, ma non c’era nessun precedente in cui si fosse tentata la stessa cosa con un robot mobile”.
Per capire come volano queste specie, il team di Zuffre ha spulciato la letteratura scientifica raccogliendo dati su pulcinelle, berte e martin pescatori. È saltato fuori che le specie piccole battono le ali circa 10 volte al secondo in aria e circa 4 volte al secondo sott’acqua. Quelle più grandi, con un’apertura alare maggiore, fanno un numero leggermente inferiore di battiti in entrambi gli ambienti.
Sulla base di questi numeri è nato un robot che imita gli uccelli, capace di variare la velocità di battito in un intervallo simile a quello reale: tra 0,1 e 6 volte al secondo sott’acqua e tra 5,2 e 11 volte al secondo in aria. Le ali sono fatte con una membrana sottilissima, ricoperta da nanoparticelle idrofobiche che respingono l’acqua. Il peso complessivo è inferiore ai 300 grammi. Ci sono la fusoliera, due ali flessibili e una coda manovrabile. Dentro la fusoliera stanno una batteria e un motore elettrico resistente all’acqua, che aziona la manovella per muovere le ali su e giù. Cambiando l’angolo della coda si passa dalla salita alla discesa.
La cosa interessante è che, invece di aggiungere un complicato meccanismo di ripiegamento, i ricercatori hanno puntato tutto sulla flessibilità. Quando le ali si flettono, il carico sott’acqua si riduce in modo naturale, e questo permette di battere più spesso rispetto a delle ali rigide. Il compromesso è delicato. Le ali devono essere abbastanza flessibili da ridurre l’ampiezza del battito sott’acqua, ma anche abbastanza rigide da tenere il corpo in aria.
Così sono stati costruiti tre prototipi: piccolo (60 cm di apertura), medio (80 cm) e grande (100 cm). Le prove in una piccola vasca e nel lago Lemano, in Svizzera, hanno mostrato che con l’ala di misura media il robot volava e nuotava in modo stabile, gestendo pure il passaggio dal nuoto al volo. In quella configurazione ha raggiunto quasi 1 metro al secondo in acqua con 5 battiti al secondo, e circa 6 metri al secondo in volo con un numero simile di battiti. Cifre vicine a quelle degli uccelli tuffatori veri.
Vola anche senza zampe
Nel passaggio dall’acqua all’aria conta parecchio l’angolo con cui il mezzo si stacca dalla superficie. Uscendo con un’inclinazione piuttosto marcata di 70 gradi si evita che la punta delle ali tocchi l’acqua. Se invece l’angolo si avvicina alla verticale, il corpo si inclina all’indietro e finisce di nuovo sott’acqua.
Quando pulcinelle e anatre decollano, battono le ali, inclinano la coda e allo stesso tempo si spingono con le zampe. L’esperimento ha rivelato che, combinando bene dimensione delle ali, frequenza e angolo della coda, si può decollare dall’acqua anche senza carrello. In un’altra prova il FAAV si è tuffato mentre volava a 5 metri al secondo. In quel momento ha decelerato di colpo fino a 0,5 metri al secondo, subendo una forza d’urto pari a circa 60 volte la gravità. Eppure è passato senza problemi al nuoto subacqueo, a prescindere dal battito e dall’angolo delle ali nell’attimo dell’immersione.
Il gruppo ha anche verificato l’efficienza energetica. Confrontando i consumi in volo e in acqua, è emerso che oltre i 15,5 metri di distanza conviene di più uscire, volare e reimmergersi, piuttosto che continuare a nuotare. Ora i ricercatori vogliono migliorare il design delle ali perché possano anche ruotare, non solo muoversi su e giù, e testare il tutto in condizioni più agitate, con onde e vento. L’obiettivo a lungo termine è un robot capace di raccogliere campioni in zone marine dove le navi da ricerca non arrivano.
