Un giroscopio pequeño, barato y de gran precisión podría ayudar a los drones y a los coches sin conductor a mantenerse en el camino sin señal GPS, dicen los investigadores.

«Nuestro giroscopio es 10.000 veces más preciso pero sólo 10 veces más caro que los giroscopios utilizados en los típicos teléfonos móviles», afirma Khalil Najafi, profesor de ingeniería de la Universidad de Michigan y catedrático de ingeniería eléctrica e informática.

«Este giroscopio es 1.000 veces menos caro que giroscopios mucho más grandes con un rendimiento similar».»

La mayoría de los teléfonos inteligentes contienen giroscopios para detectar la orientación de la pantalla y ayudar a averiguar hacia dónde estamos mirando, pero tienen poca precisión. Por eso los teléfonos suelen indicar incorrectamente la dirección a la que mira el usuario durante la navegación.

Eso no importa realmente a alguien en la calle o al volante, pero un coche sin conductor podría perderse rápidamente con la pérdida de la señal GPS. Dentro de sus sistemas de navegación de reserva, los vehículos autónomos utilizan actualmente giroscopios de alto rendimiento que son más grandes y mucho más caros.

«Los giroscopios de alto rendimiento son un cuello de botella, y lo han sido durante mucho tiempo. Este giroscopio puede eliminar este cuello de botella permitiendo el uso de la navegación inercial de alta precisión y bajo coste en la mayoría de los vehículos autónomos», afirma Jae Yoong Cho, científico asistente de investigación en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación.

Un mejor equipo de navegación de reserva también podría ayudar a los soldados a encontrar su camino en zonas donde las señales del GPS han sido interferidas. O, en un escenario más mundano, una navegación interior precisa podría acelerar los robots de almacén.

Tres acelerómetros y tres giroscopios, uno para cada eje en el espacio, componen el dispositivo, llamado unidad de medición inercial. El dispositivo permite la navegación sin una señal de orientación consistente. Pero conseguir una buena lectura de hacia dónde se va con las IMU existentes cuesta tanto que sigue estando fuera de alcance, incluso para equipos tan caros como los vehículos autónomos.

La clave para fabricar este pequeño y asequible giroscopio es un resonador mecánico casi simétrico. Parece una sartén Bundt cruzada con una copa de vino, hecha de un centímetro de ancho. Al igual que ocurre con las copas de vino, la duración del timbre que se produce al golpear la copa depende de la calidad del vidrio.

Pero en lugar de ser una característica estética, el anillo es crucial para el funcionamiento del giroscopio. El dispositivo completo utiliza electrodos colocados alrededor del resonador de cristal para empujar y tirar del cristal, haciéndolo sonar y manteniéndolo en funcionamiento.

«Básicamente, el resonador de cristal vibra siguiendo un determinado patrón. Si lo giras de repente, el patrón de vibración quiere permanecer en su orientación original. Así que, controlando el patrón de vibración es posible medir directamente la velocidad y el ángulo de rotación», dice Sajal Singh, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática que ayudó a desarrollar el proceso de fabricación.

La forma en que el movimiento vibratorio se desplaza por el vidrio revela cuándo, a qué velocidad y en qué medida gira el giroscopio en el espacio.

Para que los resonadores sean lo más perfectos posible, el equipo de Najafi parte de una lámina casi perfecta de vidrio puro, conocido como sílice fundida, de un cuarto de milímetro de grosor. Utilizan un soplete para calentar el vidrio y luego lo moldean con una forma parecida a la de un Bundt -conocida como resonador «birdbath», ya que también se parece a una bañera de pájaros invertida.

Después, añaden un revestimiento metálico a la carcasa y colocan electrodos a su alrededor que inician y miden las vibraciones en el vidrio. El conjunto está encerrado en un paquete al vacío, del tamaño de un sello de correos y de medio centímetro de altura, que impide que el aire amortigüe rápidamente las vibraciones.

Los investigadores presentarán su trabajo el 25 de marzo en el virtual 7º Simposio Internacional del IEEE sobre Sistemas de Sensores Inerciales.

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa apoyó el trabajo. Cho y Najafi son cofundadores de una empresa emergente, Enertia Microsystems, basada en la tecnología con licencia de la Universidad de Michigan.

capítulo: El nuevo resonador y los electrodos, en un dedo para escalar. El resonador es casi perfectamente simétrico, hecho de vidrio casi puro, lo que le permite vibrar durante largos periodos, de forma similar al timbre de una copa de vino. (Crédito: Grupo Najafi / U. Michigan)