MIT ed EPFL svelano un robot ad ali battenti che si tuffa, nuota sott’acqua e poi spicca il volo

L’acqua di mare è circa mille volte più densa dell’aria, un contrasto che di norma impone strategie completamente diverse per muoversi in ciascun ambiente. Eppure alcuni uccelli marini riescono a fare entrambe le cose: gabbiani e pulcinelle di mare possono immergersi sotto la superficie, propellersi sott’acqua e poi schizzare di nuovo in aria per volare. Ora ingegneri del MIT e dell’EPFL di Losanna, in Svizzera, hanno costruito un piccolo robot capace della stessa transizione tra due mondi.

Il prototipo, soprannominato flapping-wing aerial-aquatic vehicle (FAAV), pesa meno di 300 grammi — circa mezzo pound. La sua configurazione ricorda quella di un uccello, ma è progettata per resistere all’acqua: una fusoliera centrale ospita la batteria e un motore elettrico sigillato, che aziona un albero a gomiti per muovere le ali a frequenze di battito prestabilite. Due ali flessibili, realizzate con membrane sottili, sono trattate con nanoparticelle idrofobiche pensate per far scivolare via l’acqua rapidamente. Nella parte posteriore, una coda motorizzata può cambiare angolazione, aiutando il veicolo a controllare l’assetto (pitch) per risalire in volo o inclinarsi verso il basso per immergersi.

Per capire come una macchina così leggera possa sia nuotare sia volare, i ricercatori hanno testato il sistema in esperimenti controllati in vasca e in prove in acque libere sul Lago di Ginevra. Guidato da Raphael Zufferey, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, il team ha esplorato in modo sistematico come dimensione delle ali, frequenza del battito e angolo della coda interagiscano nel momento critico in cui il robot deve passare dall’acqua all’aria.

Questi test hanno indicato un punto ottimale nella progettazione delle ali: le ali di dimensioni intermedie funzionavano meglio. Le ali vincenti erano abbastanza cedevoli da ridurre l’ampiezza del battito mentre spingevano attraverso l’acqua densa, ma al tempo stesso sufficientemente rigide da generare portanza una volta che il veicolo superava la superficie. Nelle configurazioni con le prestazioni migliori, velocità e frequenze di battito si collocavano nello stesso intervallo generale osservato negli uccelli reali. Hanno inoltre scoperto che un forte angolo di beccheggio del corpo — circa 70 gradi — aiutava il robot a “saltare” fuori dall’acqua e a stabilizzare il volo.

Un risultato sorprendente riguarda ciò che al robot manca. Molti uccelli tuffatori usano i piedi per remare o dare un colpo contro la superficie durante il decollo. Il FAAV, invece, è riuscito nella transizione dall’acqua all’aria senza alcun piede, affidandosi piuttosto all’interazione calibrata tra battito delle ali e controllo della coda.

I ricercatori vedono questo lavoro come un primo passo verso droni anfibi in grado di raggiungere luoghi dove barche, boe o aeromobili convenzionali sono poco pratici — o troppo rischiosi. Zufferey immagina oceanografi, biologi marini e comunità costiere lanciare il veicolo dalla riva o da una barca, inviandolo verso un obiettivo come un iceberg, una struttura portuale o persino vicino a un gruppo di balene. Il robot potrebbe quindi immergersi per raccogliere una misura o un campione e tornare per consegnare i dati a una frazione del costo tipico, potenzialmente ripetendo il ciclo molte volte.

In seguito, il team prevede di sviluppare ali che possano ruotare oltre che battere, una capacità che potrebbe migliorare la manovrabilità. Intendono anche valutare le prestazioni in condizioni reali più impegnative, tra cui acqua increspata e aria ventosa, prima di tentare impieghi mirati a rispondere a questioni ancora aperte nella scienza oceanica. Uno dei problemi persistenti del settore, osserva Zufferey, è raccogliere misurazioni sia con alta frequenza sia su aree molto vaste — qualcosa che un sistema rapido e ripetibile del tipo vola-immergiti-vola potrebbe alla fine offrire, persino con cadenze orarie anziché campagne settimanali.

Perché è importante

Strumenti in grado di operare senza soluzione di continuità sia in aria sia in acqua potrebbero ridurre costi e rischi della raccolta di dati oceanografici, soprattutto in prossimità di infrastrutture pericolose, fauna selvatica o ghiaccio. Se il design si dimostrerà robusto in condizioni di turbolenza, potrebbe consentire campionamenti molto più frequenti in numerose località, cambiando il modo in cui ricercatori e operatori costieri monitorano gli ambienti marini. Il prossimo traguardo sarà dimostrare un funzionamento affidabile in mare mosso e con vento, dove la maggior parte dei sistemi impiegati sul campo fatica.