Publicado en: Esprint Investigación

Fecha de Publicación: 2025-07-08

Volumen: 4

Número: 2

Año: 2025

DOI URL: https://doi.org/10.61347/ei.v4i2.143

Autores:

• Héctor Gonzalo Palacios León . https://orcid.org/0009-0000-6596-4204
• Byron Xavier Pullopaxi Yugcha . https://orcid.org/0009-0006-3856-8605
• Wilmer Joel Chuquiana Casicana. https://orcid.org/0009-0007-3087-3258
• Angel Moises Agualongo Chela. https://orcid.org/0009-0009-1710-5961
• Dennys Fabricio Romero Bravo. https://orcid.org/0009-0001-3366-7915

Palabras clave: Alambre con memoria de forma; biomecánica; diseño biomimético; nado carangiforme; tilapia

Resumen

El desarrollo de robots bioinspirados representa una estrategia innovadora para replicar los principios biomecánicos de la locomoción animal en entornos que requieren eficiencia energética y adaptabilidad, como en el medio acuático. En este contexto, el presente trabajo tiene como objetivo diseñar y controlar un robot biomimético basado en la tilapia (Oreochromis niloticus), utilizando alambre de Nitinol como actuador principal para imitar el patrón de nado carangiforme. Se empleó un enfoque cuantitativo, bajo un diseño experimental, y la investigación se ubicó en el campo de los estudios aplicados. Se realizó un análisis morfológico y biomecánico del pez, con énfasis en la segmentación corporal y la frecuencia de oscilación. Posteriormente, se diseñó un prototipo mediante impresión 3D con materiales flexibles que permiten flexión lateral. El sistema de activación térmica del Nitinol, regulado electrónicamente mediante señales PWM, generó contracciones secuenciales que simulan el movimiento muscular del pez. Se realizaron simulaciones y pruebas experimentales para validar el desplazamiento ondulatorio del robot, alcanzando ángulos de oscilación de ±15° por segmento y una frecuencia de nado de hasta 2.8 Hz. El análisis estadístico de los datos evidenció una respuesta consistente y diferencias significativas en el rendimiento de propulsión en función del ciclo de activación (p < 0.05). En conclusión, el sistema logró replicar con éxito la dinámica de nado de la tilapia, demostrando que el uso de Nitinol como actuador inteligente, combinado con estrategias de diseño biomimético, permite desarrollar soluciones funcionales y eficientes para la robótica subacuática.

Abstract

The development of bioinspired robots represents an innovative strategy to replicate the biomechanical principles of animal locomotion in environments that require energy efficiency and adaptability, such as aquatic settings. In this context, the objective of the present study is to design and control a biomimetic robot based on the tilapia (Oreochromis niloticus), using Nitinol wire as the main actuator to mimic the carangiform swimming pattern. A quantitative approach was employed, under an experimental design, and the research was situated within the field of applied studies. A morphological and biomechanical analysis of the fish was conducted, with emphasis on body segmentation and oscillation frequency. Subsequently, a prototype was designed using 3D printing with flexible materials that allow for lateral bending. The Nitinol thermal activation system, electronically regulated through PWM signals, generated sequential contractions that simulate the muscle movement of the fish. Simulations and experimental tests were carried out to validate the undulatory motion of the robot, achieving oscillation angles of ±15° per segment and a swimming frequency of up to 2.8 Hz. Statistical analysis of the data revealed a consistent response and significant differences in propulsion performance depending on the activation cycle (p < 0.05). In conclusion, the system successfully replicated the swimming dynamics of tilapia, demonstrating that the use of Nitinol as a smart actuator, combined with biomimetic design strategies, enables the development of functional and efficient solutions for underwater robotics.