Diseño de robots blandos mediante biomímesis
Lo que a los robots blandos les falta en fuerza y precisión lo compensan con la suavidad de su destreza a la hora de manejar objetos delicados o con su capacidad de llegar a sitios donde otros robots no pueden.
Imagen: CSAIL MIT
Robots blandos y cobots
En 2013 escribí un artículo para DesignSpark titulado Soft Humans, Hard Robots , en el que se presentaba el concepto de "robótica blanda" , un nuevo campo de investigación que iba ganando adeptos entre las tendencias principales. Por entonces, la mayoría de las actividades se centraban en el desarrollo de actuadores, como músculos neumáticos y pinzas, que fueran capaces de recoger objetos frágiles sin romperlos de la misma forma que lo haría una mano humana. En la actualidad, el término Los Cobots (biomímesis) se utiliza para denominar a aquellos robots cuyo diseño les permita trabajar con humanos y que presenten actitudes seguras, que sean capaces de colaborar con personas en un banco sin necesidad de estar encerrados en una caja. Mientras que para los cobots se aplica un diseño cuidado y se utilizan materiales blandos para recubrir los componentes duros de su estructura interna, los robots blandos suelen estar fabricados de materiales aptos para estas circunstancias en su totalidad, no para garantizar la seguridad humana, sino para poder funcionar en entornos peligrosos o poco comunes. En términos biológicos, un cobot sería un vertebrado con una estructura ’ósea’ interna que le proporciona resistencia y le permite moverse con gran precisión. Por el contrario, un robot blando sería un invertebrado, como una medusa o un pulpo, capaz de retorcerse y acceder a espacios estrechos, de doblarse para adaptarse a terrenos irregulares o de agarrar objetos de forma irregular. De hecho, la madre naturaleza es una excelente fuente de ideas para los mecanismos de los robots blandos. A este campo de estudio se lo denomina "biomimética" o biomímesis.
Biomímesis
El término "biomímesis" puede definirse de muchas formas diferentes en función del segmento de aplicación concreto. Para la robótica blanda puede afirmarse que consiste en inspirarse en las funciones de un mecanismo biológico (como una mano humana) y en crear una versión artificial de funcionamiento similar (como una pinza robótica). El término clave es "funcionamiento similar": no se trata de una copia exacta. Otro ejemplo es el de las alas de un avión: están inspiradas en la de las aves, pero fabricadas con distintos materiales. En este artículo de George Whitesides, "La bioinspiración: todo el mundo encuentra algo" y en la siguiente conferencia en vídeo se explica la lógica subyacente a la biomímesis en el diseño de robots blandos.
Los robots suaves están todavía en plena fase de desarrollo: todavía no hay muchos artículos disponibles en el mercado. Por tanto, el presente artículo está centrado primordialmente en aspectos de I + D e incluye vídeos y enlaces al trabajo de investigadores universitarios. La mayor parte de actividades de desarrollo se centran en cuatro áreas que se solapan entre sí: el agarre de objetos irregulares o frágiles, la detección, los músculos artificiales y la propulsión. En términos estrictos un robot blando debe estar fabricado en su totalidad de materiales que cumplan con la filosofía pertinente (no deben tener piezas duras, como componentes electrónicos con PCB), pero hay zonas "de solapamiento". Por ejemplo, un brazo articulado normal puede tener una pinza blanda para manejar piezas delicadas.
Pinzas
Dado que la mayoría de brazos robóticos de tamaño pequeño pasan toda su vida útil recogiendo objetos y volviéndolos a dejar en otro sitio, el "ejecutor final" más habitual que se utiliza en la actualidad es la pinza. Las pinzas robóticas "duras" son rígidas y suelen aplicar una fuerza suficiente como para romper objetos frágiles. Sin suficientes señales táctiles ni medios de reconocimiento de objetos, queda a discreción del operario o programador humano cuánta fuerza basta para agarrar el objeto sin romperlo. Esta tarea es muy difícil de automatizar. Las pinzas blandas neumáticas o de adhesión electrostática presentan otra serie de ventajas: son más suaves, la mayoría puede manejar objetos de distintas formas y pesos, y son mucho más sencillas de controlar sin necesidad de utilizar señales táctiles. Echa un vistazo a este prototipo de ingeniería de Festo: un brazo robótico con pinza inspirado en el tentáculo de un pulpo:
Este dispositivo utiliza aire comprimido para mover el brazo y aplica presión a la pinza para agarrar el objeto con las "ventosas". El uso de neumática o hidráulica para accionar un brazo robótico no es ni mucho menos nuevo. Lo novedoso está en el uso de biomimética para el diseño de los actuadores. Los cilindros con pistón interno tradicionales se han sustituido por estructuras celulares que pueden generar el movimiento exacto necesario sin palancas, levas ni sistemas de control complejos. Es posible hasta conseguir movimientos giratorios, como veremos más adelante. En el siguiente vídeo se muestra una pinza electrostática que puede agarrarlo casi todo:
Músculos
El robot humanoide se encuentra en esa zona de solapamiento entre la robótica blanda y la dura debido a su estructura "ósea" para el soporte de cargas. En los primeros intentos de crear "androides" de tamaño humano se utilizaban cilindros neumáticos o hidráulicos para simular la acción de los músculos. Este método jamás fue exitosos, debido al peso de los componentes y al gran número de ellos que era necesario para imitar hasta el movimiento locomotor más básico del ser humano. Se está trabajando arduamente en el desarrollo de actuadores más ligeros y flexibles. En este vídeo se muestra cómo se aplican métodos de diseño novedosos para conseguir "músculos" blandos accionados neumáticamente:
Un ejemplo de diseño de robot blando comandado con precisión por la aplicación se encuentra en el artículo A Soft Tube-Climbing Robot. Todo el robot es puro músculo neumático. Los investigadores buscan producir nuevos materiales que se expandan o contraigan al aplicar calor o electricidad. En el artículo titulado Soft material for soft actuators, se describe un polímero especial infundido de burbujas de etanol líquido. Una corriente eléctrica de baja tensión calienta un cable incrustado y hace que el material "muscular" se expanda.
¿Y qué os parece este robot pulpoide ("octobot") de la Universidad de Harvard? Fabricado con una impresora 3D, emplea presión de gases para flexionar los tentáculos. El gas se genera mediante una reacción de catalización entre platino y peróxido de hidrógeno, al que también se denomina "combustible para cohetes diluido". En este vídeo se muestra cómo se ha fabricado:
La pinza electrostática mencionada anteriormente es un ejemplo de los denominados "actuadores de elastómeros dieléctricos" (DEA, "dielectric elastomer actuators"). Es posible adaptar su principio de funcionamiento para crear músculos artificiales con otras finalidades. Una variación novedosa de estos componentes se describe en el artículo Translucent soft robots driven by frameless fluid electrode dielectric elastomer actuators. Este músculo está diseñado para utilizarse bajo el agua con un electrodo colocado en el propio mar. Es capaz de reproducir el lento movimiento ondulante del cuerpo de un pez o una anguila. En este caso, la inspiración proviene de la larva de una anguila, la leptocephalus. Una función de gran utilidad de esta anguila robótica es un aspecto cuasitransparente, que parece desaparecer al colocarse en el agua.
Propulsión
Los músculos artificiales que he mencionado proporcionarían el movimiento suficiente para cualquier tipo de robot ambulante, humanoide o multípodo. ¿Y qué hay de las ruedas motrices? Es posible aplicar los mismos principios de las células inflables de las pinzas para accionar una rueda. En este vídeo se muestra un ejemplo de actuadores rotativos en un vehículo solo con ruedas "blandas":
Los pulpos emplean propulsión a chorro para moverse a gran velocidad. Por sí mismo este dato no es muy interesante. Lo que atrajo a los investigadores es la manera en la que lo hacen. El principio es el siguiente: una contracción muscular súbita estruja una vesícula llena de agua. En el artículo: Ultra-fast escape manoeuvre of an octopus-inspired robot se describe cómo a medida que se desinfla la vesícula el pulpo incrementa sus propiedades aerodinámicas. A medida que el chorro disminuye en intensidad, el mayor aerodinamismo compensa parcialmente la pérdida de empuje. Estas criaturas proporcionan inspiración biomimética de todas las formas posibles, tal y como se observa en el vídeo introductorio y se amplía en el vídeo final del presente artículo.
Sensores
En los siguientes dos artículos se demuestra cómo el mundo natural puede proporcionar nuevas ideas para el diseño de sensores. En el primero, Bioinspired polarization vision enables underwater geolocalization, se demuestra el uso de una visión muy sensible a la polarización lumínica de la radiación solar subacuática para calcular la posición: un GPS de baja precisión. La inspiración del mundo natural para este diseño se obtuvo a través del estudio de los ojos de las gambas.
En el segundo, Fully 3D Printed Multi-Material Soft Bio-Inspired Whisker Sensor for Underwater-Induced Vortex Detection, se describe un sensor subacuático muy especializado. Los bigotes de una foca común detectan los vórtices generados en el agua por los peces que van a ser sus presas. Los investigadores desarrollaron una versión artificial para un pez robótico blando.
Por último
La mayoría de los robots blandos cuentan con al menos una función inspirada por formas debida y es probable que las pinzas blandas sean pronto un elemento imprescindible de los brazos de los cobots. El último vídeo contiene más ejemplos de transferencias tecnológicas del mundo natural al artificial con, una vez más, el versátil pulpo como protagonista.
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