Una estructura activa (también conocida como estructura inteligente o adaptativa ) es una estructura mecánica con la capacidad de alterar su configuración, forma o propiedades en respuesta a cambios en el entorno.
El término estructura activa también se refiere a estructuras que, a diferencia de las estructuras de ingeniería tradicionales (por ejemplo, puentes, edificios), requieren un movimiento constante y, por lo tanto, un aporte de energía para permanecer estables. La ventaja de las estructuras activas es que pueden ser mucho más masivas que una estructura estática tradicional : un ejemplo sería una fuente espacial , un edificio que se extiende hasta el espacio.
El resultado de la actividad es una estructura más adecuada para el tipo y la magnitud de la carga que soporta. Por ejemplo, un cambio de orientación de una viga podría reducir el nivel máximo de tensión o deformación, mientras que un cambio de forma podría hacer que una estructura fuera menos susceptible a las vibraciones dinámicas. Un buen ejemplo de una estructura adaptativa es el cuerpo humano, en el que el esqueleto soporta una amplia gama de cargas y los músculos cambian su configuración para ello. Pensemos en llevar una mochila. Si la parte superior del cuerpo no ajustara ligeramente el centro de masa de todo el sistema inclinándose hacia delante, la persona caería de espaldas.
Una estructura activa consta de tres componentes integrales además de la parte que soporta la carga: los sensores , el procesador y los actuadores . En el caso del cuerpo humano , los nervios sensoriales son los sensores que recopilan información del entorno. El cerebro actúa como procesador para evaluar la información y decidir actuar en consecuencia y, por lo tanto, da instrucciones a los músculos, que actúan como actuadores para responder. En ingeniería pesada, ya existe una tendencia emergente a incorporar la activación en puentes y domos para minimizar las vibraciones bajo cargas de viento y terremotos .
La ingeniería aeronáutica y la ingeniería aeroespacial han sido la principal fuerza impulsora en el desarrollo de estructuras activas modernas. Las aeronaves (y naves espaciales ) requieren adaptación porque están expuestas a muchos entornos diferentes y, por lo tanto, a cargas, durante su vida útil. Antes del lanzamiento, están sujetas a la gravedad o cargas muertas, durante el despegue están sujetas a cargas dinámicas e inerciales extremas y en vuelo necesitan estar en una configuración que minimice la resistencia pero promueva la sustentación. Se ha dedicado mucho esfuerzo a las alas de aeronaves adaptables para producir una que pueda controlar la separación de las capas límite y la turbulencia. Muchas estructuras espaciales utilizan la adaptabilidad para sobrevivir a los desafíos ambientales extremos en el espacio o para lograr precisiones precisas. Por ejemplo, las antenas y los espejos espaciales se pueden activar para una orientación precisa. A medida que avanza la tecnología espacial, se requiere que algunos equipos sensibles (a saber, instrumentos astronómicos ópticos e infrarrojos interferométricos ) tengan una precisión de posición tan delicada como unos pocos nanómetros , mientras que la estructura activa de soporte tiene dimensiones de decenas de metros.
Los actuadores fabricados por el hombre que existen en el mercado, incluso los más sofisticados, son casi todos unidimensionales. Esto significa que solo son capaces de extenderse y contraerse a lo largo de un eje o de rotar alrededor de él. Los actuadores capaces de moverse tanto en dirección de avance como de retroceso se conocen como actuadores bidireccionales, a diferencia de los actuadores unidireccionales que solo pueden moverse en una dirección. La capacidad limitante de los actuadores ha restringido las estructuras activas a dos tipos principales: estructuras de celosía activas , basadas en actuadores lineales, y brazos manipuladores , basados en actuadores rotativos.
Una buena estructura activa tiene una serie de requisitos. En primer lugar, debe poder activarse fácilmente. La activación debe ahorrar energía. Por lo tanto, no es deseable una estructura que sea muy rígida y que resista fuertemente la deformación. En segundo lugar, la estructura resultante debe tener integridad estructural para soportar las cargas de diseño. Por lo tanto, el proceso de activación no debe poner en peligro la resistencia de la estructura. Más precisamente, podemos decir: buscamos una estructura activa en la que la activación de algunos elementos conduzca a un cambio de geometría sin alterar sustancialmente su estado de tensión. En otras palabras, una estructura que tenga tanto determinación estática como determinación cinemática es óptima para la activación.
La tecnología de control activo se aplica en ingeniería civil, ingeniería mecánica e ingeniería aeroespacial. Aunque la mayoría de las estructuras de ingeniería civil son estáticas, el control activo se utiliza en algunas estructuras civiles para su implementación contra cargas sísmicas, cargas de viento y vibraciones ambientales. [1] Además, se propone utilizar el control activo para fines de tolerancia a daños donde la intervención humana está restringida. [2] Korkmaz et al. demostraron la configuración del sistema de control activo para una tolerancia a daños y su implementación en un puente. [3]