Computadora rediseña ala de un avión para reflejar anatomía de un pájaro.

Estructuras de hueso de pájaro emergen de un algoritmo similar a la evolución.

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Ingenieros han usado una técnica de supercomputación que imita la selección natural para diseñar la estructura interna de un ala de avión desde cero. El plano resultante no solo es más liviano que las alas existentes, sino que también se asemeja a las formaciones naturales, como los huesos de ala de pájaro, que no están presentes en los aviones actuales. El producto de aspecto orgánico es tan rígido como un ala de avión convencional, pero más ligero, lo que podría ahorrar hasta 200 toneladas de combustible por año por avión.

«Éste es un muy buen ejemplo de cómo emplear métodos de optimización computarizados con una resolución inmensamente alta», dice Matthew Santer, ingeniero aeroespacial del Imperial College de Londres. El método podría incorporarse al proceso de diseño, aunque hay una serie de obstáculos para usarlo en aplicaciones aeroespaciales en su forma actual, agrega.

Rediseño del ala

Los ingenieros han estado usando este tipo de técnicas de optimización por alrededor de 20 años, pero solo para problemas de menor escala, como componentes de ala individuales o estructuras mucho más simples, dice Niels Aage, ingeniero de la Universidad Técnica de Dinamarca, cerca de Copenhague, quien lideró el trabajo. Aage y sus colegas usaron la supercomputadora Curie en Bruyères-le-Châtel cerca de París para aumentar la resolución, lo que les permite modelar todo el ala de 27 metros de longitud de un Boeing 777.

El equipo comenzó con un perfil de ala ya optimizado para la elevación máxima y el arrastre mínimo, conocido como aerofoil, y lo dividió en 1.100 millones de píxeles 3D o ‘voxels’. Cada uno tiene aproximadamente el tamaño del ladrillo más pequeño de Lego, una resolución aproximadamente 200 veces mayor que los esfuerzos anteriores. El algoritmo comenzó simulando la fuerza ejercida sobre cada bloque y el material de distribución en respuesta a donde el ala experimentó una carga. Sin ninguna guía humana, el programa repitió el análisis varios cientos de veces, agregando o eliminando material dependiendo de la tensión que sentía cada ladrillo, hasta que alcanzó un diseño óptimo final. «La estructura evoluciona a través de cada ciclo de diseño», dice Aage. «El proceso tiene muchas similitudes con la propia evolución de la naturaleza».

Vuelo orgánico

A diferencia de las alas convencionales, la estructura resultante no contenía las vigas rectas habituales que discurrían a lo largo de las alas, intercaladas por soportes de cruce. En cambio, el diseño se ve orgánico, dice Aage. Los soportes curvos se abren en el borde posterior del ala, se asemejan a los huesos en las alas de los pájaros y las estructuras de soporte intrincadas en el borde delantero parecen la estructura interna de un pico.

Sin comprometer la rigidez (resistencia a la deformación), el diseño pesa 2-5% menos que las estructuras de ala convencionales. Eso se traduce en 200-500 kilogramos por ala, lo que potencialmente ahorra a cada avión entre 40 y 200 toneladas de combustible por año, dicen los autores. La técnica también podría aplicarse a otras industrias, dice Aage, por ejemplo, para diseñar edificios de gran altura en zonas propensas a terremotos que mantienen su rigidez pero que pueden resistir la dinámica de un terremoto. Se podría usar para optimizar la acústica, los sistemas de ventilación y las antenas, también, agrega.

Pros y contras del rediseño supercomputarizado

La alta resolución de la técnica, que permite a la computadora diseñar estructuras que incluyan características que varían en tamaño desde milímetros hasta decenas de metros, podría llevar a diseños más innovadores en estas otras disciplinas, dice Liang Xia, ingeniero informático de la Universidad de Huazhong de Ciencia y Tecnología en Wuhan, China. Pero enfatiza que ejecutar el algoritmo requiere una pesada carga informática, el equivalente a ejecutar una sola computadora estándar durante 100 años. Sin embargo, este costo de computarización podría reducirse si el equipo empleara métodos de simulación más avanzados, utilizados en inteligencia artificial, que en efecto modelan solo partes del ala en una resolución tan alta.

El diseño también es demasiado complicado para ser realizado por los métodos de fabricación existentes, y requeriría la construcción de una impresora 3D gigante. Pero por ahora, los aspectos clave de la misma podrían alimentarse en estructuras producidas con métodos convencionales, dice Aage. «Estamos acelerando la evolución rápidamente, lo que significa que podemos ver cómo deberían ser los diseños, y luego extraer las características clave, o las que podemos pagar»

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