Cómo los pterosaurios pueden inspirar el diseño de aviones

Los pterosaurios fueron un grupo increíble de reptiles voladores que ocupaban los cielos casi al mismo tiempo que los dinosaurios deambulaban por tierra. Apareciendo en el récord fósil hace unos 230 millones de años, los pterosaurios sobrevivieron hasta hace 66 millones de años, cuando un impacto de asteroides ayudó a limpiarlos y muchas otras formas de vida.

Los pterosaurios son a menudo los animales en el fondo, mientras que los dinosaurios ocupan el primer plano. Sin embargo, son dignos de mucho más reconocimiento del que comúnmente se les da, no solo como animales antiguos interesantes, sino porque también podrían inspirar diseños de aviones.

Los pterosaurios fueron los primeros vertebrados en evolucionar el vuelo con alimentación. Estaban en el aire 80 millones de años antes de las aves y alrededor de 180 millones de años antes de los murciélagos. Sin embargo, su aparato de vuelo era bastante diferente al de cualquiera. Las alas de los murciélagos están compatibles con múltiples dígitos (como nuestros dedos). Las aves usan plumas como unidades estructurales en las alas.

Pero los pterosaurios tenían principalmente un dedo para apoyar sus alas. Su ala principal estaba compuesta por un solo “Spar” gigante, una unidad estructural, hecha de los huesos del brazo y el cuarto dedo muy alargado, con una membrana que se extendía desde la punta del dedo hasta el tobillo. Esta membrana actuó como una superficie de vuelo.

Como grupo, los pterosaurios eran diversos: algunos eran pescadores especializados, alimentadores de filtros, depredadores terrestres, cazadores de insectos, galletas de semillas y más. Algunos podían subir bien y muchas especies eran altamente móviles en el suelo.

También se hicieron muy grandes. Los pterosaurios más grandes tenían envergaduras de más de 10 m y podían pesar más de 250 kg. Incluso los pterosaurios más pequeños podían volar: los juveniles con envergadería de 10 cm probablemente eran capaces de volar en días o incluso horas de eclosión.

Los huesos de los pterosaurios, como los de las aves y muchos dinosaurios, estaban llenos por extensiones de los pulmones llamados sacos de aire, y estaban extremadamente delgados. Esto hizo que los esqueletos de los animales fueran muy rígidos por su peso (bastante importante al volar). También hizo que sus esqueletos fueran muy frágiles después de la muerte, por lo que los fósiles de pterosaurio son raros.

Sin embargo, en un puñado de sitios de todo el mundo, más notablemente en Alemania, Brasil y China, donde la preservación de los fósiles es excepcionalmente bueno, tenemos un gran número de fósiles de pterosaurio con esqueletos completos y muchos tejidos blandos. Esto nos da una idea increíble de la forma y la estructura de sus alas y cómo volaron.

Además de la superficie del ala principal, los pterosaurios tenían otras dos superficies subsidiarias más pequeñas que les habrían dado control adicional. En la parte delantera del ala principal, sentada en el quid del codo, había una pequeña membrana entre la muñeca y la base del cuello, soportada por un hueso de muñeca largo y único llamado pteroides.

En la parte posterior del cuerpo, los pterosaurios anteriores tenían una sola hoja de membrana grande entre las piernas, soportadas en el medio por una cola larga y a cada lado por quinto dedos en los pies. Más tarde, los pterosaurios dividieron esta membrana trasera y solo tenían una pequeña membrana que corría desde el tobillo en cada pierna hasta la base de una cola corta.

Además de las capas externas en forma de piel, las alas tenían al menos tres capas principales, que comprendían vasos sanguíneos, una capa de músculos y una capa de fibras de rigidez. Algunos bien podrían haber tenido extensiones de los Airsacs en las membranas principales del ala también, lo que presumiblemente podría inflarse y desinflarse hasta cierto punto. El ala en su conjunto era, por lo tanto, extremadamente elástico y flexible.

Esto habría dado a los pterosaurios un control extraordinario sobre sus alas. Todo esto los convierte en un modelo intrigante para el futuro diseño de aviones.

Desafío de vuelo

Las alas de los aviones no son (y no) perfectamente rígidas. Agregar flexibilidad, o mejor aún, el potencial de cambio de forma real podría darles beneficios sustanciales de rendimiento. Pero la rigidez y la flexibilidad deben equilibrarse. Los problemas con la aeroelasticidad, la tendencia de un ala blanda a vibrar de manera que reducen en gran medida el rendimiento (o incluso causen que el vuelo falle directamente), limite lo flexibles que pueden ser las alas.

Los pterosaurios tenían múltiples mecanismos para abordar este desafío, desde mecanismos pasivos, como fibras dentro del ala, hasta mecanismos activos, como los músculos que se extendieron por todo el ala y podían apretarse a pedido. Esta anatomía de tensión del ala se encuentra entre los sistemas de control aeroelástico más sofisticados conocidos por la ciencia.

La clave para aplicar nuestro conocimiento de los pterosaurios al diseño de aviones futuros no es imitando de cerca la forma y la forma exacta de los pterosaurios, sino en comprender y extraer principios centrales de su anatomía.

Las alas membranosas de los pterosaurios fueron excelentes para cambiar de forma. El liderazgo podría estar plano o deprimirse a un ángulo agudo, gracias a la pequeña membrana anterior. La superficie del ala principal podría cambiar su curvatura o comba. Incluso hay evidencia de que el ala podría manejar lo que se llama refleja, una forma en la que el borde posterior del ala se curva hacia arriba.

Incluso la porción rígida del ala (el Spar) hecha de hueso y músculos circundantes, era móvil, a través de movimientos del hombro, el codo y la muñeca y la flexibilidad dentro del hueso en sí cerca de la punta del ala. Esta estructura suave y cambiante de forma le dio a los pterosaurios un control excepcional sobre su rendimiento de ala momento a momento, optimizando para una velocidad más baja o una velocidad más alta dentro de las fracciones de un ala. Esto los habría hecho particularmente expertos en un vuelo de velocidad lenta, buenos para giros apretados y aterrizajes precisos y suaves.

Una mayor maniobrabilidad y aterrizajes precisos son una prima para los vehículos autónomos que trabajan en entornos ocupados, como ciudades o zonas de desastre naturales llenas de escombros. Por lo tanto, los futuros drones de encuesta y rescate podrían tomar lecciones de los sistemas de control de pterosaurio.

La anatomía de ala flexible de los pterosaurios articulados también significaba que las alas podían doblarse con fuerza, y a diferencia de las alas de las aves, las alas plegadas de los pterosaurios se duplicaban como poderosas extremidades para caminar. Debido a que las manos contactaron al suelo mientras caminaban, las extremidades anteriores estaban disponibles para ayudar a empujar a los animales al aire durante los saltos de despegue. Los modelos matemáticos predicen los tiempos de lanzamiento de medio segundo, desde un comienzo permanente, incluso en los pterosaurios más grandes.

Las cargas mecánicas excepcionales asociadas con estos lanzamientos fueron manejadas por uno de los esqueletos de mayor rigidez a peso para haber evolucionado. Este sistema de ala plegada y de lanzamiento rápido tiene un gran potencial para aplicaciones a tecnologías futuras.

Tanto es así, de hecho, que un sistema prototipo de ala plegable modelado en pterosaurios ya ha sufrido algunas pruebas. Un ala plegable y a aleteo que funciona como un sistema de lanzamiento podría permitir que los drones futuros despeguen con un espacio limitado, tal vez en barcos en el mar. También podría usarse para permitir que los pequeños drones voladores aterricen y sean nuevamente fuera de los cráteres en Marte.

El planeta rojo tiene la suficiente atmósfera para hacer que los sistemas de ala de aleteo y ala de rotor funcionen. Pero es enérgicamente costoso y el rondado es difícil: más bien aterrizar, medir y lanzar nuevamente. Del mismo modo, los rápidos despegue del terreno desigual, aterrizajes precisos, giros cerrados y ajustes a pedido para mejorar el rendimiento son características que podrían aplicarse a los drones del futuro, en trajes de alas y más.

A medida que los sistemas de control para los drones se impulsan cada vez más por el software inteligente, necesitaremos una nueva generación de hardware para que coincida. Los pterosaurios pueden tener las llaves para desbloquear un futuro de vehículos aéreos autónomos altamente maniobrables que son competentes en condiciones duras y entornos urbanos. Estos serían ideales para la búsqueda y el rescate o las encuestas en lugares que son demasiado peligrosos para los humanos.

Entonces, a pesar de haber estado extinto durante 66 millones de años, los pterosaurios tienen un gran potencial como inspiración para el diseño de aviones. A veces, mirar hacia atrás puede ser la mejor manera de mirar hacia adelante.

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