¿Cómo sería un avión con alas de libélula? La ciencia ya tiene la respuesta

El radar, las luces LED, el velcro, la visión nocturna, tejidos sintéticos, modelos de trenes… La naturaleza ha inspirado incontables avances humanos. Es la biomímesis, biomimética o diseño bioinspirado. Incluso la tecnología más puntera toma en ocasiones a la naturaleza como modelo. Ahora, un grupo de investigadores ha rediseñado el Boeing 777 inspirándose en las alas de las libélulas. Si el modelo sale adelante, el avión será más ligero, más fuerte y más sostenible.

La naturaleza es sabia. No en vano suma 3.800 millones de años de experiencia, en el transcurso de los cuales ha creado formas de vida que se han sabido adaptare a todos los ambientes. De ahí que muchos científicos busquen en la naturaleza soluciones eficientes a los problemas.

La aviación es uno de los sectores que más se ha beneficiado de la biomimética. "Cuando miras a una libélula, ves alas que han evolucionado durante millones de años hasta convertirse en una estructura increíblemente liviana, eficiente y fuerte", señala Masoud Akbarzadeh de la Escuela de Diseño Weitzman de la Universidad de Pensilvania, uno de los autores del estudio, publicado en ‘Advanced Science’.

Él y su equipo estaban interesados en la geometría de la superficie y la estructura interna de las venas de las alas de la libélula. La intrincada configuración jerárquica del ala proporciona fuerza y flexibilidad y permite que las libélulas generen sustentación y maniobren rápidamente, añade.

"Cuando miramos de cerca los patrones en el ala de una libélula, nos dimos cuenta de que incluye muchos polígonos convexos", relata Akbarzadeh. "La red convexa del ala es muy similar a las redes eficientes que diseñamos utilizando el método de estática gráfica que investigamos y desarrollamos en el laboratorio", comenta.

"Entonces pensamos, '¿podríamos usar nuestras herramientas de análisis basadas en geometría para analizar estos patrones y recrearlos bajo diferentes condiciones para otros tipos de alas?’".

Una red de venas muy compleja

Los investigadores analizaron las complejidades de la red de venas geométricas del ala de la libélula empleando una metodología propuesta por James Clerk Maxwell en 1864 llamada ‘diagramas recíprocos de Maxwell’. Esta herramienta de análisis, utilizada para calcular el equilibrio de fuerzas en un sistema, desempeñó un papel importante en la decodificación de la física de la estructura del ala de la libélula.

"Había una correlación entre el grosor de los componentes o miembros constituyentes conectados y el equilibrio en el plano de esa red", explica Akbarzadeh.

"En términos más simples, es como tomar la red vascular de la libélula, tirar de ella desde todos los lados y descubrir que la estructura general funciona perfectamente como una red de tracción, al menos en un plano 2D", añade.

"Esto fue impactante", admite, "porque el ala está diseñada para un comportamiento de flexión asociado con movimientos de aleteo en lugar de una red de solo tensión o solo compresión".

Este hallazgo permitió a los autores investigar el comportamiento de la estructura del ala. "Finalmente, demostramos que este enfoque podría posibilitar estructuras de ala más eficientes contra la flexión fuera del plano", detalla Akbarzadeh.

El equipo dividió la geometría del ala en la red vascular interna y los bordes exteriores. Así, pudieron trazar un mapa de cómo las estructuras internas dentro del ala de la libélula podrían verse afectadas por los otros componentes, explica Nathi Magubane, oficial de noticias científicas de la Universidad de Pensilvania 

Los diseñadores usaron los diagramas de forma y fuerza del ala de la libélula como un conjunto de datos de entrenamiento para desarrollar un modelo de aprendizaje automático que podría generar redes estructurales que reflejaran fielmente la geometría real del ala. El hallazgo proporcionó datos valiosos para entrenar su algoritmo de aprendizaje automático.

Ahorro considerable en combustible

"Imaginemos un ala de avión diseñada siguiendo los principios observados en la de una libélula", expone Akbarzadeh. "Al hacerlo, podríamos crear aviones más livianos y eficientes, utilizando menos materiales, lo que generaría ahorros considerables en combustible y costos, sin mencionar una reducción sustancial en la huella ambiental de la aviación".

"Los miembros del equipo aplicaron sus hallazgos a escenarios del mundo real incorporando diseños inspirados en libélulas en un fuselaje extruido en 2D de un ala de Boeing 777 a escala 1:120 y observaron una mejora significativa en la eficiencia estructural de las alas", recoge Magubane.

El diseño de la libélula mejoró la rigidez fuera del plano en un asombroso 25%, lo que sugiere el potencial para diseños de alas más ligeros y eficientes. "Esto no solo afirma la practicidad de la investigación, sino que también ofrece una visión tentadora del futuro de la aviación", augura Akbarzadeh.

¿Cuáles serán los siguientes pasos? El equipo planea profundizar en la estructura 3D del ala de la libélula, con la esperanza de descubrir más inspiraciones de diseño. También quieren refinar su modelo de aprendizaje automático, mejorar sus capacidades predictivas y aumentar la precisión de la recreación de la estructura artificial.

"Este estudio destaca el potencial sin explotar del diseño inspirado en la naturaleza", apunta Akbarzadeh. "A través de la fusión sinérgica del aprendizaje automático, la biología estructural y la ingeniería, está surgiendo una nueva frontera que promete una ola de innovación en varias disciplinas".

"A medida que continuamos escudriñando las intrincadas estructuras del mundo natural en busca de inspiración, ¿quién sabe qué otros secretos podríamos descubrir? Desde libélulas hasta otros animales alados, nuestro viaje de descubrimiento apenas comienza", finaliza Akbarzadeh.

Informe de referencia: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207635