C¨®mo hacer volar a los robots como si fueran murci¨¦lagos

Los veh¨ªculos a¨¦reos no tripulados (VANT, drones) y los coches autodirigidos muestran hasta d¨®nde pueden llegar los ¨²ltimos desarrollos tecnol¨®gicos en el campo de la rob¨®tica. Todav¨ªa queda mucho por perfeccionar en estos mecanismos y uno de los grandes retos es dise?ar sistemas capaces de reaccionar ante situaciones imprevistas. Para ello es interesante estudiar la manera en que algunos animales se desenvuelven en su entorno, evitando colisiones entre ellos y con los obst¨¢culos que aparecen en el camino. El inter¨¦s comercial y t¨¦cnico ha potenciado la investigaci¨®n en este campo de la mec¨¢nica, donde confluyen la matem¨¢tica, la f¨ªsica y la ingenier¨ªa.

Los murci¨¦lagos emplean el s¨®nar para calcular distancias relativas a objetos y sus formas. Pero ?la visi¨®n tiene un papel central

El grupo de investigaci¨®n que lidero en la Universidad de Boston estudia el comportamiento a¨¦reo de los murci¨¦lagos. Estos animales navegan a grandes velocidades por entornos repletos de obst¨¢culos, construyendo una representaci¨®n del entorno mediante la llamada memoria espacial y la informaci¨®n recibida a trav¨¦s de sus m¨²ltiples sensores: visi¨®n, s¨®nar, la detecci¨®n de corrientes de aire y la sensaci¨®n de inercia, entre otros. Hasta el momento se hab¨ªa estudiado sobre todo c¨®mo se procesa la informaci¨®n a trav¨¦s de cada uno de los modos sensoriales, pero se sab¨ªa poco sobre c¨®mo se relacionan entre ellos. Esto es lo que analizamos en nuestros ¨²ltimos resultados publicados en Scientific Reports.

Los murci¨¦lagos emplean el s¨®nar para calcular distancias relativas a objetos e incluso sus formas. Pero, pese al mito de la ceguera de estos animales, parece ser que la visi¨®n tiene un papel central. Hemos concluido que las modalidades sensoriales (vista, ecolocalizaci¨®n; es decir, el s¨®nar) y la memoria espacial se refuerzan mutuamente en un sistema que gu¨ªa el vuelo. Cada tipo de informaci¨®n juega un rol importante dentro de la navegaci¨®n de los murci¨¦lagos, pero es al combinar las tres modalidades cuando aparecen efectos que posibilitan a los murci¨¦lagos volar a trav¨¦s de espacios complejos. Habitualmente hay un sensor que recibe la informaci¨®n de manera m¨¢s r¨¢pida (probablemente la vista). Estos datos luego se validan con un sensor de refuerzo, en este caso, la ecolocalizaci¨®n o s¨®nar, con menor velocidad de procesado. Por tanto no es solo el s¨®nar, como se cre¨ªa, la modalidad sensorial principal de los murci¨¦lagos.

La combinaci¨®n de las tres modalidades sensoriales posibilitan a los murci¨¦lagos volar a trav¨¦s de espacios complejos

Para llegar a estas conclusiones, hemos observado los movimientos de los murci¨¦lagos entrando y saliendo de una cueva durante varios d¨ªas, y las variaciones que se produc¨ªan al colocar nuevos obst¨¢culos en el camino. Hemos reconstruido en tres dimensiones m¨¢s de 10.000 trayectorias, procesando con t¨¦cnicas matem¨¢ticas de visi¨®n por ordenador (la llamada geometr¨ªa epipolar) las im¨¢genes registradas con c¨¢maras de alta velocidad y resoluci¨®n; junto con los audios sincronizados.

El primer d¨ªa, los murci¨¦lagos volaron de manera normal y fueron grabados para definir la velocidad de sus vueltos t¨ªpicos, la geometr¨ªa de los caminos de los vuelos y las tasas de ecolocalizaci¨®n. Observamos que la aplastante mayor¨ªa de los murci¨¦lagos volaban dentro de un pasillo concreto. El segundo d¨ªa de observaci¨®n, situamos un palo de pl¨¢stico de 30 metros exactamente en el centro de su recorrido. Los murci¨¦lagos no percib¨ªan el obst¨¢culo hasta que estaban muy cerca y detectamos que, tras esquivarlo, el nivel de su canto crec¨ªa significativamente. En los d¨ªas sucesivos su velocidad lineal se redujo de forma notable, ya que se volvieron m¨¢s cautelosos. D¨ªas despu¨¦s empezaron a hacer maniobras para evitar el obst¨¢culo desde largas distancias, lo que indica que se acordaban del lugar donde estaba situado el palo, y el nivel de su canto tambi¨¦n empez¨® a descender, volviendo a los niveles de partida, indicando as¨ª la aclimataci¨®n y la toma de conciencia del obst¨¢culo. Esto ilustra los efectos de la memoria espacial en el vuelo. Tambi¨¦n en estos datos se refleja la importancia de la visi¨®n en la reconstrucci¨®n del espacio de estos animales.

Es la primera vez que se registra y se analiza el comportamiento de murci¨¦lagos en su h¨¢bitat natural alrededor de obst¨¢culos

Es la primera vez que se registra y se analiza el comportamiento de murci¨¦lagos en su h¨¢bitat natural alrededor de obst¨¢culos. M¨¢s all¨¢ de los avances en la neurobiolog¨ªa de los murci¨¦lagos, la investigaci¨®n ha utilizado modelos matem¨¢ticos de sistemas de control de vuelo que podr¨ªan ser implementados en los veh¨ªculos a¨¦reos que pretendan moverse a trav¨¦s de la mara?a de los bosques, salvando obst¨¢culos imprevistos, etc.

John Bailleul es profesor en la Universidad de Boston (EE UU), donde dirige el Laboratorio de Sistemas Inteligentes Mecatr¨®nicos [Intelligent Mechatronic Systems]. Este verano fue uno de los profesores de la Escuela ICMAT de Geometr¨ªa, Mec¨¢nica y Control, donde dirigi¨® el curso: The interplay between topology, geometry and information theory.

Caf¨¦ y Teoremas es una secci¨®n dedicada a las matem¨¢ticas y al entorno en el que se crean, coordinado por el Instituto de Ciencias Matem¨¢ticas (ICMAT), en la que los investigadores y miembros del centro describen los ¨²ltimos avances de esta disciplina, comparten puntos de encuentro entre las matem¨¢ticas y otras expresiones sociales y culturales, y recuerdan a quienes marcaron su desarrollo y supieron transformar caf¨¦ en teoremas. El nombre evoca la definici¨®n del matem¨¢tico h¨²ngaro Alfred R¨¦nyi: ¡°Un matem¨¢tico es una m¨¢quina que transforma caf¨¦ en teoremas¡±.