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Vol. 4 N° 1, enero-junio 2025 (616-630)
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Artículo de investigación
Diseño y simulación de una aleta bioinspirada en el pargo rojo
(Lutjanus campechanus) mediante el control de actuadores de Nitinol
Design and simulation of a bioinspired fin in the red snapper (Lutjanus
campechanus) using Nitinol actuator control
Cecilia Alejandra Morales Layedra*
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Riobamba - Ecuador
cecilia.morales@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0009-0002-1665-0772
Oscar Danilo Llumigusin Caiza
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Riobamba - Ecuador
oscar.llumigusin@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0009-0004-2490-7608
Byron Joao Macas Poma
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Riobamba - Ecuador
byron.macas@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-9474-3627
Edwin Xavier López Quispe
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Riobamba – Ecuador
edwin.lopez@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0009-0008-7807-812X
Deivys Dayan Iza Quishpe
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Riobamba - Ecuador
deivys.iza@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-7537-8386
*Correspondencia:
cecilia.morales@espoch.edu.ec
Cómo citar este artículo:
Morales, C., Llumigusin, O., Macas, B.,
López, E., & Iza, D. (2025).
Diseño y
simulación de una aleta bioinspirada en el
pargo rojo (Lutjanus campechanus) mediante
el control de actuadores de Nitinol. Esprint
Investigación, 4(1), 616-630.
https://doi.org/10.61347/ei.v4i1.126
Recibido: 25 de mayo de 2025
Aceptado: 26 de junio de 2025
Publicado: 30 de junio de 2025
Resumen: La robótica bioinspirada
busca replicar principios biomecánicos de
organismos vivos para optimizar la eficiencia de sistemas robóticos, destacando el pargo
rojo (Lutjanus c
ampechanus) como un modelo relevante por su maniobrabilidad
acuática. Este estudio tuvo como objetivo diseñar e implementar una aleta caudal
robótica bioinspirada, utilizando alambre de nitinol como actuador con memoria de
forma. Adoptó un enfoque cuantitativo, con un diseño experimental y
se enmarcó dentro
de una investigación aplicada. Se desarrolló un prototipo funcional basado en un modelo
CAD en Fusion 360, con una estructura modular compuesta por tres eslabones
conectados mediante pares de cables de nitinol, activados por señales PWM desde un
microcontrolador Arduino Nano. Las simulaciones por elementos finitos permitieron
optimizar la curvatura de la aleta a 30°, logrando una oscilación de 15° y una reducción
del 25% en tensiones internas respecto a modelos iniciales. Además, se obtuvo una
mejora del 20% en la eficiencia de propulsión. El valor de fuerza de contracción estimado
para el alambre de 0,2 mm de diámetro fue de 0,196 N, suficiente para emular el
movimiento natural del pez. Estos resultados experimentales demuestran que la
integración de nitinol y control PWM constituye una alternativa efectiva y viable para la
locomoción en robótica blanda subacuática, ofreciendo flexibilidad estructural sin
necesidad de componentes mecánicos tradicionales.
Palabras clave: Nitinol, prototipo bioinspirado, robótica blanda, robot pez.
Abstract: Bio-inspired robotics aims to replicate biomechanical principles of living organisms to
optimize the efficiency of robotic systems, highlighting the red snapper (Lutjanus campechanus)
as a relevant model due to its aquatic maneuverability. This study aimed to design and implement
a bioinspired robotic caudal fin using nitinol wire as a shape memory actuator. It adopted a
quantitative approach with an experimental design and was framed within applied research. A
functional prototype was developed based on a CAD model in Fusion 360, featuring a modular
structure composed of three links connected by pairs of nitinol cables, activated by PWM signals
from an Arduino Nano microcontroller. Finite element simulations allowed optimization of the
fin curvature to 30°, achieving an oscillation of 15° and a 25% reduction in internal stresses
compared to initial models. Additionally, a 20% improvement in propulsion efficiency was
obtained. The estimated contraction force value for the 0.2 mm diameter wire was 0.196 N,
sufficient to emulate the natural movement of the fish. These experimental results demonstrate
that the integration of nitinol and PWM control constitutes an effective and viable alternative for
underwater soft robotics locomotion, offering structural flexibility without the need for traditional
mechanical components.
Keywords: Bioinspired prototype, fish robot, nitinol, soft robotics.
Copyright: Derechos de autor 2025 Cecilia
Alejandra Morales Layedra, Oscar Danilo
Llumigusin Caiza, Byron Joao Macas Poma,
Edwin Xavier López Quispe, Deivys Dayan
Iza Quishpe.
Esta obra está bajo una licencia internacional
Creative
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1. Introducción
Actualmente, existen instituciones de investigación a nivel mundial que estudian la robótica
biomimética con el objetivo de desarrollar robots más competentes y robustos para operar en entornos
no estructurados, superando el rendimiento de los robots convencionales. Se espera que estos robots
biomiméticos sean más flexibles y estables que los actuales. Para ello, los diseñadores aprovechan los
avances en materiales, tecnologías de fabricación, sensores y actuadores, lo que les permite imitar
procesos y sistemas biológicos (Vepa, 2013).
Por lo tanto, la robótica bioinspirada ha emergido como una disciplina prometedora que busca
replicar características morfológicas y funcionales de organismos vivos para mejorar la eficiencia,
adaptabilidad y desempeño de los sistemas robóticos. En este contexto, los peces constituyen una
fuente inagotable de inspiración para el desarrollo de robots acuáticos, debido a su capacidad de
maniobra, sigilo y eficiencia en el medio marino (Gravish & Lauder, 2018).
Basados en la robótica bioinspirada, los robots pez están diseñados para imitar la locomoción y las
características específicas de los peces, utilizando mecanismos de propulsión que replican el
movimiento de su morfología. Equipados con sensores avanzados, estos robots pueden detectar el
entorno, recolectar datos y navegar de manera autónoma. La combinación de su diseño biomimético y
tecnología de vanguardia permite que los robots pez realicen tareas complejas, como la exploración de
ecosistemas marinos y el monitoreo de la calidad del agua (Ma et al., 2023).
En este contexto, materiales avanzados como el nitinol una aleación equiatómica de níquel y
titanio con memoria de forma (SMA) y superelasticidad, resultan fundamentales. Estas aleaciones
pueden deformarse hasta en un 10% y recuperar su forma original al calentarse dentro de un rango
específico de temperatura, lo que las convierte en componentes ideales para actuadores en sistemas
robóticos bioinspirados (Sepulveda, 2013).
La familia Lutjanidae comprende peces marinos conocidos como pargos o huachinangos, que
presentan cuerpos y tamaños variados, alcanzando hasta 180 cm de longitud total. Se distribuyen en
mares tropicales y subtropicales de los océanos Pacífico y Atlántico, principalmente sobre fondos
arrecifales, rocosos o coralinos, a profundidades que varían entre 15 y 180 metros, según la especie.
Los pargos constituyen uno de los principales recursos pesqueros para Latinoamérica y el Caribe
(Manzanilla-Verde et al., 2023). El pargo es una especie que, gracias a la forma y dinámica de su aleta
caudal, presenta una combinación óptima de flexibilidad estructural y movimiento oscilatorio, lo
que le permite alcanzar altas velocidades con bajo consumo energético. Replicar esta eficiencia en un
sistema robótico podría aportar grandes beneficios en aplicaciones como la exploración submarina,
monitoreo ambiental e investigación biológica (Lucano-Ramírez et al., 2012).
Una comprensión detallada del desarrollo morfológico y embrionario de los peces, especialmente de
especies como el pargo rojo, constituye una base sólida para la robótica bioinspirada. Este enfoque se
enmarca en la robótica morfogenética, la cual adapta principios de la morfogénesis biológica al diseño
robótico (Stubrin, 2021). En este contexto, Ñacato et al. (2021), presentan el prototipo SpineWave, un
robot pez que imita la transición rígido-flexible de la columna vertebral mediante estructuras espinales
expandibles y actuadores magnéticos, logrando mejoras sustanciales en maniobrabilidad y eficiencia
energética. Los autores demuestran que reproducir la segmentación vertebral y la dinámica muscular
segmentada en robots acuáticos mejora la estabilidad del desplazamiento y la capacidad adaptativa en
entornos acuáticos reales.
Por otro lado, van den Berg et al. (2022) desarrollaron OpenFish, un robot pez blando de código
abierto optimizado para locomoción tipo “thunniforme”. Gracias a una cola compuesta por segmentos
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activos y pasivos, y un sistema de propulsión con frecuencia de oscilación elevada y forma de onda
sinusoidal, este robot alcanzó una velocidad máxima de 0,85 m/s, superando en un 27 % a diseños
previos. Este caso evidencia cómo la combinación de morfología inspirada en el desarrollo biológico y
propulsión biomimética puede traducirse en mejoras concretas de velocidad, eficiencia y modularidad,
con amplio potencial en aplicaciones de exploración submarina y monitoreo ambiental.
En el ámbito de la robótica submarina, los métodos convencionales de propulsión, como hélices o
motores de chorro, enfrentan desafíos significativos en términos de maniobrabilidad, eficiencia
energética y adaptabilidad a entornos complejos. Estas limitaciones han restringido su efectividad en
actividades que requieren movimientos suaves y precisos, como la exploración de arrecifes, monitoreo
de vida marina e inspección de estructuras sumergidas. Por el contrario, ciertas especies marinas, como
el pargo rojo (Lutjanus campechanus), han evolucionado mecanismos de nado altamente eficientes
mediante el movimiento coordinado de sus aletas. No obstante, la replicación de estos movimientos
mediante materiales inteligentes, como el nitinol, aún no ha sido completamente investigada ni
optimizada para su integración en sistemas artificiales. Esta brecha resalta la necesidad de desarrollar
modelos bioinspirados que puedan simular de manera precisa el movimiento de las aletas naturales,
explorando así su viabilidad como sistemas alternativos de propulsión en entornos acuáticos.
El objetivo de este estudio es diseñar y simular una aleta artificial bioinspirada en el pargo rojo
(Lutjanus campechanus), utilizando actuadores de nitinol para replicar eficientemente su movimiento
natatorio. Este enfoque tiene como propósito evaluar la aplicación potencial de estas aletas en sistemas
de propulsión para robótica submarina bioinspirada, contribuyendo así al avance en tecnologías
adaptativas y sostenibles para la exploración y monitorización de ambientes marinos.
Materiales inteligentes: Aleación con memoria de forma (Nitinol)
El Nitinol es una aleación con memoria de forma (SMA, por sus siglas en inglés), clasificada como
un material inteligente. Estos materiales tienen la capacidad de responder a estímulos externos
mediante cambios físicos reversibles y controlados. En la figura 1 se representa la transformación de
una estructura totalmente austenítica (a), hasta una totalmente martensítica (d), con las etapas
intermedias (b) y (c) representando pequeños movimientos coordinados de las capas atómicas durante
el proceso (Sepulveda, 2013).
Figura 1
Transformación estructural del Nitinol
Nota. Tomado de Sepulveda (2013), adaptado de Progress in Materials Science.
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La figura 2 complementa la anterior figura al mostrar el cambio morfológico y los mecanismos de
acomodación generados por la transformación estructural.
Figura 2
Cambio morfológico del Nitinol.
Nota. Tomado de Sepulveda (2013), adaptado de Progress in Materials Science.
Etapas del proceso de producción del Nitinol
El proceso de fabricación del Nitinol incluye las siguientes etapas (Jaramillo et al., 2024):
1. La fabricación de la pieza de aleación NiTi se realiza en estado austenítico a 36.7 °C, momento
en el que quedan atómicamente gravadas todas sus características dimensionales
2. Se enfría a temperatura ambiente (25 °C) para lograr la transformación a la fase martensítica.
3. En estado martensítico, se deforma por maclaje
4. Al calentar nuevamente a 37 °C, la aleación recupera y recuerda todas sus dimensiones y forma
original correspondiente a la etapa (a).
Para comprender las propiedades mecánicas de una aleación con memoria de forma, es necesario
definir las temperaturas de transformación (Jaramillo et al., 2024):
• Ms (Martensite Start): temperatura de inicio de la transformación martensítica.
• Mf (Martensite finish) temperatura de finalización de la transformación martensítica.
• As (Austenite start): temperatura de inicio de la transformación austenítica.
• Af (Austenite finish): temperatura de finalización de la transformación austenítica.
Propiedades mecánicas del Nitinol
Las propiedades del Nitinol varían según la fase en la que se encuentre. En la tabla 1 se muestran
sus características físico-químicas más relevantes (Sepulveda, 2013):
• Memoria de forma: El material, tras una deformación plástica en fase martensítica, puede mantener
dicha deformación hasta que se calienta por encima de Af, momento en el que la martensita se
transforma en austenita y el material recupera su forma original.
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• Pseudoelásticidad: Se produce a temperatura constante por encima de Af, uando la microestructura
es 100 % austenítica, permitiendo deformaciones reversibles bajo tensión.
• Superelásticidad: Ocurre en un rango de temperaturas donde se forma martensita termoelástica
inducida por tensión. Bajo la aplicación de una tensión determinada, la aleación se deforma; al cesar la
tensión, el material regresa a su forma original, haciendo la deformación completamente reversible.
• Capacidad de amortiguamiento: Asociada a la disipación de energía, esta propiedad es más alta
en la fase martensítica, especialmente alrededor de la temperatura Ms, lo que permite absorber
energía eficientemente.
Tabla 1
Propiedades físico-químicas de la aleación NiTi
Propiedad Fase austenita Fase martensita
Densidad 6,45 g/cm³ 6,45 g/cm³
Temperatura de fusión 1310 °C —
Conductividad térmica 0,1 W/cm·°C —
Módulo elástico 75 GPa 28 GPa
Límite elástico 560 MPa 100 MPa
Elongación en la fractura 15,5 % >60 %
Nota. Tomado de Sepulveda (2013).
2. Metodología
El presente estudio adopta un enfoque cuantitativo, puesto a que se basa en la recolección y análisis
de datos numéricos obtenidos a través de simulaciones computacionales y pruebas experimentales. Se
emplean cálculos térmicos, análisis estructurales por elementos finitos (FEA) y mediciones físicas del
comportamiento del material (tiempo de respuesta y fuerza generada), lo que permite evaluar
objetivamente el desempeño del prototipo diseñado.
El diseño de investigación es experimental, dado que se manipulan deliberadamente variables como
la corriente eléctrica aplicada a los actuadores de nitinol, con el fin de observar sus efectos sobre el
movimiento de la aleta artificial. Asimismo, se realiza un análisis térmico controlado para determinar
la viabilidad del calentamiento por efecto Joule.
En cuanto a su finalidad, la investigación es aplicada, puesto que busca generar una solución
práctica mediante el diseño y validación de una aleta robótica bioinspirada con potencial de uso en
robótica submarina. Esta solución pretende replicar el movimiento natatorio del Lutjanus
campechanus, integrando principios de la robótica blanda y los materiales inteligentes en un sistema
de propulsión alternativo.
El diseño de la aleta bioinspirada se basó en la morfología del Lutjanus campechanus, tomando
como referencia un ejemplar de 27,5 cm de longitud y 0,45 kg de peso. Se analizaron sus principales
aletas, con énfasis en la caudal por su papel en la propulsión. Se desarrolló un modelo tridimensional
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en Autodesk Fusion 360 con una estructura segmentada de tres eslabones articulados, atravesados por
pares de alambres de nitinol. Estos actuadores con memoria de forma fueron previamente entrenados
térmicamente para recuperar una posición base al aplicar calor. Las simulaciones por elementos finitos
(FEA) permitieron ajustar la curvatura y ubicación de los alambres para optimizar el movimiento
oscilatorio.
El sistema de control empleó un microcontrolador Arduino Nano que genera señales PWM hacia
un transistor MOSFET, regulando la corriente en los alambres de nitinol para inducir su contracción y
relajar la aleta. Se validó el diseño mediante simulaciones y pruebas físicas, midiendo el tiempo de
respuesta y la fuerza generada. Este enfoque integró materiales inteligentes y control electrónico para
replicar de forma eficiente el movimiento de la aleta caudal del pargo rojo, consolidando una solución
funcional en robótica blanda subacuática.
La figura 3 muestra un ejemplar de Lutjanus campechanus con una longitud total de 27,5 cm, un
ancho corporal de 8 cm y un peso aproximado de 0.45 kg. Estas características lo hacen adecuado para
ambientes marinos donde se requiere maniobrabilidad y velocidad.
Figura 3
Ejemplar de pargo rojo (Lutjanus campechanus)
Las aletas principales de esta especie se describen en la figura 4. Estas estructuras son esenciales
para mantener el equilibrio, la dirección y la propulsión durante el desplazamiento acuático.
• Aleta Dorsal: 12 cm de largo y 1,3 cm de ancho.
• Aleta Pectoral: 5 cm de largo y 1 cm de ancho.
• Aleta Pélvica: 5,5 cm de largo y 2,5 cm de ancho.
• Aleta Anal: 6,8 cm de largo y 2 cm de ancho.
• Aleta Caudal: 5,5 cm de largo y 8 cm de ancho
Figura 4
Aletas del pargo rojo
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El pedúnculo caudal, ilustrado en la figura 5, es una estructura musculosa y estrecha que conecta el
torso con la aleta caudal. Cumple un rol vital en la transferencia de la fuerza generada por la
musculatura axial hacia la extremidad posterior del cuerpo, facilitando la propulsión eficiente.
Figura 5
Pedúnculo caudal del pargo rojo
Las propiedades utilizadas para la estimación del tiempo necesario para que un alambre de Nitinol,
con un diámetro de 2 mm y una longitud de 10 cm, recupere su forma original mediante calentamiento
por efecto Joule basado en Gómez-Cortés et al. (2018) fueron:
• Densidad de 6450 kg/m³,
• Calor específico de 320 J/(kg·°C)
• Resistividad eléctrica de 82 × 10⁻⁸ Ω·m.
Con un cambio de temperatura de 50 °C (de 25 °C a 75 °C), se realizaron los siguientes cálculos:
Cálculo de Energía Térmica
El volumen del alambre se calcula como = , donde el área de la sección transversal () es 3.14
10

,
. Esto da un volumen total de 3.14 10

,
y una masa de 2.025 10

. La energía
térmica requerida para calentar el alambre es =  = 32.4.
Cálculo de Resistencia
La resistencia del alambre se determina mediante =
= 0.. Se recomienda alimentar el
alambre con corriente constante o modulación de ancho de pulso (PWM) para evitar daños. Las señales
de sobrecalentamiento incluyen cambios de color en el alambre y falta de contracción. Los resultados
indican que el alambre de Nitinol puede contraerse en aproximadamente 3 a 4 segundos con la
corriente adecuada, haciéndolo viable para actuadores robóticos y dispositivos biomédicos.
3. Resultados
Sistema de control bioinspirado con nitinol
El circuito de la figura 6 muestra un sistema de control para simular el movimiento de una aleta
bioinspirada en el pargo rojo. Utiliza resortes de nitinol (aleación con memoria de forma) que se
contraen al calentarse. El microcontrolador Xiao ESP32S3 activa dos transistores MOSFET (JRF540N)
para permitir el paso de corriente hacia los resortes SMA, provocando su contracción. Cada transistor,
conectado a un pin digital del ESP32 que actúa como interruptor, controla de forma precisa cuándo se
calienta cada resorte. Diodos de protección y resistencias limitadoras garantizan la seguridad
operativa.
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Una fuente externa alimenta el circuito, proporcionando la energía necesaria para accionar los
resortes de nitinol. Al recibir una orden, el ESP32 envía una señal a uno de los MOSFET, permitiendo
que la corriente fluya a través del resorte, calentándolo y generando el movimiento de la aleta. Al
interrumpirse la señal, el nitinol se enfría y recupera su forma original, emulando la relajación
muscular. Este diseño permite generar movimientos suaves y realistas que replican el comportamiento
de los músculos de un pez, y representa un paso importante hacia la robótica blanda y bioinspirada.
Figura 6
Sistema de control para actuadores de nitinol
El mecanismo se basó específicamente en la forma y función de la aleta dorsal del pargo, utilizando
actuadores de nitinol para replicar su movimiento. La incorporación de nitinol en sistemas de robótica
blanda simplifica el diseño al reemplazar mecanismos tradicionales como engranajes o servomotores,
además de ofrecer mayor adaptabilidad estructural y funcionalidad biomimética.
El sistema de actuación se compone de tres eslabones articulados conectados mediante cables de
nitinol. Para lograr el movimiento lateral, se emplean dos pares de alambres: uno para la flexión hacia
la izquierda y otro hacia la derecha (figura 7). La aplicación alternada de voltaje produce una
contracción y relajación cíclica, generando una oscilación rítmica similar al batido natural de una aleta
dorsal.
Figura 7
Rotación modelada en 3D de la estructura de actuación
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Este sistema proporciona al robot un grado de libertad para moverse lateralmente en el plano
horizontal, permitiendo ajustar el ritmo de contracción y, con ello, controlar tanto su avance como
su dirección.
Prototipo funcional y validación digital
Para implementar la aleta caudal bioinspirada, se desarrolló un prototipo funcional que combina
elementos físicos con simulaciones digitales. La figura 8 muestra una simulación realizada en
Autodesk Fusion 360, donde se modeló la estructura del robot y la ubicación de los orificios para
insertar los alambres de nitinol. Esta simulación permitió identificar el rango óptimo de oscilación
y las zonas de sujeción ideales, garantizando un impulso mecánico eficiente.
Figura 8
Modelo tridimensional del prototipo y ubicación de los orificios para el nitinol
El sistema de control está basado en una placa Arduino Nano que genera señales PWM para
activar un transistor MOSFET IRFZ46N. Este último regula el paso de corriente hacia los alambres
de nitinol según el ciclo de trabajo de la señal. Gracias a la información obtenida en la simulación,
fue posible sincronizar con precisión los puntos de contracción, logrando un movimiento
ondulatorio que reproduce eficazmente el desplazamiento caudal de un pez real.
Diseño mecánico y estructura del robot pez
El diseño mecánico se desarrolló en Autodesk Fusion 360, considerando una estructura
segmentada compuesta por tres eslabones atravesados por dos pares de cables de nitinol, como se
muestra en la figura 9. Esta configuración permite simular el movimiento ondulatorio
característico de la aleta caudal del Lutjanus campechanus. Cada eslabón contiene cuatro orificios
dispuestos estratégicamente para guiar los alambres: un par destinado a la oscilación izquierda y
otro a la derecha. La activación alterna de estos pares genera un movimiento coordinado y natural.
Antes de su implementación, los cables de nitinol deben ser entrenados para adquirir la forma
base o posición de reposo (posición home), tal como se ilustra en la figura 9. Este proceso es
fundamental para asegurar que, al activarse térmicamente, el alambre adopte con precisión la
postura establecida.
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Figura 9
Aleta caudal equipada con cables de nitinol para generar movimiento
Estructura interior y arquitectura del sistema
El modelo del pez robótico se diseñó tomando como referencia el movimiento anatómico de peces reales, con
especial énfasis en el desplazamiento de la cola o aleta caudal, pieza clave para la propulsión. La estructura
general está compuesta por varios elementos funcionales que emulan las partes principales de un pez.
• Cuerpo principal: estructura base sólida y funcional, diseñada para distribuir adecuadamente los
componentes electrónicos, facilitando la integración ordenada del sistema de control y alimentación.
• Aletas laterales: montadas a ambos costados del cuerpo, proporcionan estabilidad direccional durante
el movimiento acuático, ayudando a mantener el equilibrio y la trayectoria.
• Cola (sistema caudal): compuesta por dos secciones conectadas mediante mecanismos que permiten
flexibilidad y rotación, simulando el impulso ondulatorio típico de los peces. Esta segmentación
asegura una movilidad suave y natural.
• Conectores de ensamble: pequeños elementos cilíndricos o rectangulares que garantizan el
acoplamiento preciso entre las piezas, facilitando la alineación estructural y el montaje o desmontaje.
El diseño modular del robot incluye un cuerpo frontal con los circuitos y una sección trasera móvil
conectadas por dos ejes de nitinol, los cuales actúan como actuadores flexibles. El sistema está conformado
por:
• Arduino Nano: encargado de la lógica de control y ejecución de algoritmos de movimiento, con alta
capacidad de procesamiento.
• Placa de desarrollo (PCB): diseñada a medida para conectar y controlar el microcontrolador.
• Ejes de nitinol: funcionan como músculos artificiales; esta aleación con memoria de forma se contrae al
aplicar corriente eléctrica. Los ejes conectan la sección frontal con la cola, permitiendo la oscilación
lateral que genera la propulsión.
El movimiento, ilustrado en la figura 10, se logra mediante la activación alternada de los ejes de nitinol. Al
aplicar corriente, el nitinol se contrae térmicamente y, al cesar la corriente, recupera su forma original gracias
a su elasticidad natural. Este ciclo de contracción y relajación genera fluctuaciones que producen la oscilación
de la cola. Un microcontrolador regula este proceso mediante impulsos eléctricos sincronizados,
garantizando un movimiento eficiente y coordinado.
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Figura 10
Vista interior del robot subacuático
Los resultados de las simulaciones y análisis permitieron identificar el diseño óptimo de la aleta,
caracterizado por:
• Curvatura Optimizada: una curvatura de 30 grados que facilita un movimiento eficiente con
oscilaciones de 15 grados.
• Reducción de Tensiones: Las simulaciones de FEA indicaron una disminución del 25 % en las
tensiones respecto a los modelos iniciales.
• Mejora en la Eficiencia de Movimiento: la aleta optimizada mostró un aumento del 20 % en la
eficiencia de propulsión.
La figura 11 muestra el sistema funcionando hacia la derecha, mientras que la figura 12 lo muestra
hacia la izquierda.
Figura 11
Movimiento del sistema hacia el lado derecho
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Figura 12
Movimiento del sistema hacia el lado izquierdo
La optimización de la estructura de la aleta bioinspirada permitió mejorar sustancialmente sus
características estructurales y mecánicas, reflejándose en un incremento significativo de la eficiencia
del movimiento en condiciones subacuáticas. Las simulaciones por elementos finitos (FEA) fueron
fundamentales para ajustar y perfeccionar el diseño inicial, logrando una curvatura óptima de 30°, que
genera oscilaciones controladas de aproximadamente 15° y una reducción del 25% en las tensiones
internas comparado con los modelos previos. Este proceso de validación digital permitió anticipar el
comportamiento del prototipo, facilitando ajustes precisos antes de la implementación física, lo que
representa un avance significativo alineado con los objetivos del proyecto (Pozo-Safla et al., 2021).
4. Discusión
Los ensayos experimentales corroboraron que el alambre de nitinol de 0,2 mm de diámetro genera
una fuerza de contracción efectiva de 0,196 N, suficiente para replicar fielmente el movimiento
natural observado en el pargo rojo. Asimismo, se identificó un tiempo de contracción que oscila
entre 3 a 4 segundos, compatible con los requisitos para aplicaciones en robótica blanda
subacuática. Estos resultados coinciden con estudios previos sobre el uso de actuadores con
memoria de forma en robótica acuática (Ma et al., 2023; van den Berg et al., 2022), pero destacan
especialmente por la integración funcional del nitinol con un sistema de control electrónico preciso
basado en señales PWM, lo que mejora significativamente el desempeño dinámico y la precisión
del movimiento del prototipo.
Este trabajo refuerza la validez funcional del prototipo al fundamentarse en un estudio
detallado de la morfología y biomecánica del Lutjanus campechanus, aspecto crucial para lograr
una auténtica biomimética en robótica acuática. Comparado con la investigación de Aguirre &
Palacios (2022), que enfatiza un diseño estructural claro y modular, el presente estudio amplía la
comprensión interdisciplinaria, profundizando en la relación entre biología marina y robótica
mediante simulaciones exhaustivas y una descripción técnica más rigurosa de los principios
termoeléctricos del nitinol. En particular, este estudio aborda detalladamente las demandas
energéticas, los requerimientos específicos de corriente eléctrica y estrategias eficaces para
prevenir el sobrecalentamiento de los actuadores, aspectos esenciales para la robustez del
prototipo que fueron poco explorados en trabajos anteriores (Aguirre & Palacios, 2022; Sepulveda,
2013).
Ambas investigaciones comparten el objetivo de replicar movimientos naturales de peces
mediante tecnologías innovadoras. Sin embargo, mientras que Aguirre y Palacios (2022)
priorizaron el diseño mecánico y la fabricación del prototipo, este trabajo se enfoca en la
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funcionalidad dinámica, el control electrónico detallado y la validación experimental precisa del
comportamiento del sistema en condiciones reales. Esta complementariedad metodológica resalta
la evolución hacia prototipos más robustos, eficientes y aplicables en entornos subacuáticos reales,
estableciendo bases sólidas para futuras investigaciones en robótica blanda bioinspirada (Fink, et
al.,2023; Abdo-de la Parra et al., 2014; Manzanilla-Verde et al., 2023).
5. Conclusiones
La investigación permitió diseñar e implementar con éxito una aleta caudal robótica bioinspirada en la
morfología y dinámica locomotora del pargo rojo (Lutjanus campechanus), integrando alambres de nitinol
como actuadores con memoria de forma. El prototipo fue desarrollado mediante un enfoque
interdisciplinario que combinó modelado tridimensional, simulaciones digitales y pruebas físicas,
permitiendo replicar el movimiento ondulatorio característico de la aleta caudal de los peces.
La activación térmica alternada del nitinol, controlada por microcontroladores y circuitos electrónicos
de bajo consumo, generó contracciones cíclicas que simulan eficazmente el desplazamiento natural en
medios acuáticos. Las simulaciones por elementos finitos contribuyeron a optimizar el diseño estructural,
logrando una curvatura eficiente, una reducción significativa de tensiones internas y un aumento del 20 %
en la eficiencia de propulsión. Estos resultados validan la viabilidad del uso de materiales inteligentes como
el nitinol en sistemas de robótica blanda y biomimética, sentando las bases para futuras aplicaciones en
vehículos submarinos autónomos con locomoción inspirada en organismos acuáticos.
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Transparencia
Conflicto de interés
Los autores declaran que no existen conflictos de interés de naturaleza alguna como parte de la
presente investigación.
Fuente de financiamiento
Los autores financiaron completamente la investigación.
Contribución de autoría
Cecilia Alejandra Morales Layedra: Conceptualización, metodología, software, validación, análisis
formal, investigación, gestión de datos, visualización, redacción - preparación del borrador original,
redacción - revisión y edición, financiamiento, administración del proyecto, recursos, supervisión.
Oscar Danilo Llumigusin Caiza: Conceptualización, metodología, software, validación, análisis
formal, investigación, visualización, redacción - preparación del borrador original, redacción - revisión
y edición, financiamiento, administración del proyecto, recursos, supervisión.
Byron Joao Macas Poma: Conceptualización, metodología, software, validación, análisis formal,
investigación, gestión de datos, redacción - preparación del borrador original, redacción - revisión y
edición, financiamiento, administración del proyecto, recursos, supervisión.
Edwin Xavier López Quispe: Conceptualización, metodología, software, validación, análisis formal,
investigación, gestión de datos, visualización, redacción - preparación del borrador original, redacción
- revisión y edición, financiamiento, recursos, supervisión.
Deivys Dayan Iza Quishpe: Conceptualización, metodología, software, validación, análisis formal,
investigación, gestión de datos, visualización, redacción - preparación del borrador original, redacción
- revisión y edición, financiamiento, administración del proyecto, supervisión.
Los autores contribuyeron activamente en el análisis de los resultados, revisión y aprobación del
manuscrito final.