De SG50 a SG60, una década de innovación de drones en Sutd. Crédito: Sutd
Desde un diseño inspirado en semillas hasta un tiempo de vuelo de 26 minutos en un solo rotor, un nuevo monocóptero desarrollado por los investigadores de Sutd marca un viaje de 10 años para redefinir cuán eficientes pueden ser los robots voladores pequeños.
Cuando Singapur celebró su 50 ° año de independencia en 2015, un equipo de estudiantes investigadores dirigido por el profesor asociado Foong Shaohui de Singapur University Technology and Design (SUTD) se embarcó en un desafío ambicioso: diseñar y construir un dron capaz de 50 minutos de vuelo sostenido.
En ese momento, la mayoría de los quadcopters aficionados apenas podían manejar la mitad de eso. El proyecto SG50 Multi-Rotor Drone tuvo éxito, pero para volar tanto tiempo, la nave tenía que ser grande, compleja y pesada.
Una década después, el profesor Assoc Foong ha alcanzado nuevas alturas en su investigación de drones, este tiempo yendo pequeño y persiguiendo una estrategia completamente diferente. En lugar de tratar de diseñar el dron de múltiples rotores para que sea más eficiente, lo cual es ineficientemente ineficiente por diseño, recurrió a la naturaleza para obtener inspiración y desarrolló un monocópter ligero inspirado en Samara que logra un vuelo eficiente y totalmente controlable con un solo actuador.
En un estudio publicado en IEEE Robotics y cartas de automatización tituladas “Diseño y optimización de un monocóptero ligero inspirado en Samara para una resistencia extendida“Aprendió la autorotación y la eficiencia aerodinámica aprovechada sobre el empuje de fuerza bruta y demostró un diseño minimalista pero altamente eficiente: un monocópter liviano de 32 gramos que puede pasar el ritmo con un control automático completo durante 26 minutos, superando mucho los drones típicos en su clase.
Es parte de un esfuerzo más amplio, dijo el profesor asociado, para convertir el diseño de los robots voladores en la cabeza, haciendo más con menos. Su nuevo diseño rompió un nuevo terreno para RotorCraft en esta clase de peso.
“Lograr el vuelo se vuelve cada vez más ineficiente a medida que se reduce. Los drones pequeños a menudo tienen una resistencia deficiente porque sus pequeñas hélices generan un empuje limitado y aún así atraen un poder significativo. Nuestro objetivo era superar esa restricción”, agregó.
La solución, como resultado, era mirar a la naturaleza. Samaras, girando semillas de arce que en espiral suavemente al suelo, ofrecen un modo aerodinámico convincente, combinando estabilidad pasiva con una generación de elevación eficiente en una forma maravillosamente simple.
“Cada parte de una semilla de arce contribuye a la elevación. Nos inspiramos en ese principio y construimos un fuselaje donde no se desperdicia nada”, explicó el profesor Assoc Foong.
Crédito: IEEE Robotics and Automation Letters (2025). Doi: 10.1109/lra.2025.3575316
La estrategia de usar semillas de Samara como inspiración surgió de una observación centrada en el ser humano, algo que AI no se habría identificado por sí solo. El diseño mejorado del ala se logró luego a través de la optimización con AI, lo que permitió al equipo explorar eficientemente las posibilidades de diseño sin probar exhaustivamente cada configuración.
A diferencia de los quadcopters convencionales que controlan múltiples rotores, el monocópter del equipo logra el vuelo con solo un actuador. Este motor individual impulsa un cuerpo alado en un giro, estabilizándolo a través de la dinámica pasiva al tiempo que proporciona elevación a través de un gran perfil. Sin piezas de aleteo, cajas de cambios o enlaces mecánicos, el diseño es estructuralmente simple y mecánicamente eficiente.
Detrás del éxito del monocóptero hay un extenso proceso de optimización de diseño, que combina la teoría aerodinámica clásica con el modelado de rendimiento del mundo real. Los investigadores de SUTD utilizaron un método de optimización sustituta, un tipo de algoritmo de búsqueda basado en datos, para ajustar la forma del ala, el ángulo de lanzamiento y la distribución de masa.
El dron resultante se cierne con una carga de energía de 9.1 gramos por vatio, superando a otros vehículos microéreas con capacidad para flotar de tamaño y peso comparables.
“Es el primer logro de su tipo”, señaló el compañero de investigación Cai Xinyu. “Hemos demostrado que con el diseño aerodinámico y a nivel de sistema correcto, un pequeño robot aéreo puede lograr una resistencia que rivaliza con sistemas mucho más grandes. Esto muestra que el tamaño ya no necesita ser un factor limitante”.
La resistencia y simplicidad del monocóptero son una bendición para misiones de bajo costo y larga duración. Entre las aplicaciones que se están explorando se encuentra una radiosonda ligera y reutilizable, un instrumento transmitido por globos para la detección y monitoreo del clima, que fue el ganador de la sostenibilidad en el Premio James Dyson 2024.
Si bien el prototipo actual utiliza componentes disponibles comercialmente, el trabajo futuro buscará desarrollar piezas a medida para impulsar aún más el rendimiento.
“El siguiente paso es aumentar la capacidad de carga útil y el tiempo de vuelo sin aumentar significativamente el peso”, compartió Xinyu. “También estamos buscando explorar materiales avanzados y morfologías de ala biológica en el proceso de diseño”.
La historia del monocóptero del equipo también es de continuidad. El último avance marca una evolución de 10 años desde el SG50 Endurance Challenge, y el equipo ha establecido un seguimiento simbólico: un monocóptero capaz de volar más de 60 minutos para el 60 cumpleaños de Singapur.
En comparación con el quadcopter SG50 grande, el monocóptero SG60 es superior en todas las métricas cuantificables. Es más pequeño, más simple y más del doble de eficiente en el poder.
“La eficiencia generalmente mejora con un aumento en la escala. Aquí, hemos revertido eso. Hemos logrado reducir el sistema y hacer que funcione de manera más eficiente”, agregó el profesor asociado Foong.
El proyecto Monocopter es un ejemplo perfecto de cómo la rigurosa ingeniería y el pensamiento de diseño reflexivo pueden convertir una idea inspirada en la naturaleza en una plataforma tecnológica viable.
“Se trata de comprender la física subyacente, modelarla fielmente y usar ese conocimiento para impulsar los límites de lo que pueden hacer los pequeños robots aéreos”, reflexionó el profesor Assoc Foong. Eso incluye la aplicación de AI de diseño, que combina el diseño centrado en el ser humano con el poder de la IA, una parte creciente de cómo los equipos de Sutd crean y refinan las soluciones listas para el futuro.
“Con un mayor desarrollo, vemos que esta tecnología juega un papel clave en una variedad de aplicaciones establecidas y emergentes. El cielo es realmente el límite”.
Más información: Xinyu Cai et al, Diseño y optimización de un monocóptero ligero inspirado en Samara para resistencia extendida, robótica IEEE y cartas de automatización (2025). Doi: 10.1109/lra.2025.3575316
Proporcionado por la Universidad y Diseño de la Universidad de Singapur
Cita: Pequeña pero poderosa: una idea de monocóptero inspirada en semillas toma el vuelo (2025, 8 de agosto) Recuperado el 8 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-small-mighty-seed-monocopter-idea.html
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