Los ingenieros de Northwestern han desarrollado un nuevo dispositivo blando y flexible que permite a los robots moverse estirándose y contrayéndose, como un músculo humano.
Para demostrar su nuevo dispositivo, llamado Activador, los investigadores lo utilizaron para crear un robot blando cilíndrico con forma de gusano y un bíceps artificial. En los experimentos, un robot cilíndrico navegó por las curvas cerradas de un entorno estrecho similar a un tubo y fue capaz de levantar continuamente con bíceps un peso de 500 gramos 5.000 veces sin fallar.
Debido a que los investigadores imprimieron en 3D el cuerpo del actuador blando usando caucho común, los robots resultantes costaron alrededor de $3 en materiales, a excepción de un pequeño motor que impulsa el cambio de forma del actuador. Esto contrasta marcadamente con los típicos actuadores duros y rígidos utilizados en robótica, que normalmente cuestan entre cientos y miles de dólares.
El nuevo actuador se puede utilizar para desarrollar robots más baratos, más suaves y más flexibles que sean más seguros y prácticos para aplicaciones del mundo real, dijeron los investigadores.
«Los robots están motivados por el objetivo a largo plazo de hacer que los robots sean más seguros», dijo Ryan Truby de Northwestern, quien dirigió el estudio, publicado el 8 de julio en Advanced Intelligent Systems. «Si un robot blando golpea a una persona, no duele tanto como si fuera golpeado por un robot duro y rígido. Nuestros actuadores se pueden utilizar en robots que son más prácticos para entornos centrados en el ser humano. Y, debido a que Son baratos, potencialmente podemos utilizar más de ellos de una manera que, históricamente, ha sido muy rentable.
Truby es profesor June y Donald Brewer Jr. de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería McCormick, donde dirige el Laboratorio de Materia Robótica. Taekyang Kim, investigador postdoctoral en el laboratorio de Truby y primer autor del artículo, dirigió la investigación. Pranav Karthik, Ph.D. candidato en Ingeniería Mecánica, también contribuyó al trabajo.
Robots que ‘actúan y se mueven como seres vivos’
Aunque los actuadores rígidos han sido durante mucho tiempo una piedra angular del diseño de robots, su flexibilidad, adaptabilidad y seguridad limitadas han llevado a los robóticos a explorar actuadores blandos como alternativas. Para diseñar actuadores blandos, Truby y su equipo intentaron fabricar materiales que se movieran como músculos humanos, que se contrajeran y endurecieran simultáneamente.
«Si podemos hacer eso, podremos crear robots que se comporten y se muevan como seres vivos», afirmó Truby.
Para desarrollar el nuevo actuador, el equipo imprimió en 3D estructuras cilíndricas llamadas «actuadores de corte manual» (HSA). Los HSA contienen una estructura compleja que permite movimientos y propiedades únicos, por ejemplo, estiramiento y estiramiento cuando se tuercen. Cuando Trubi y Karthik hicieron anteriormente estructuras similares para robots impresos en 3D, estaban obligados a utilizar impresoras costosas y resinas plásticas resistentes.
Esta vez, Kim imprimió HSA con poliuretano termoplástico, un caucho común y económico que se usa comúnmente en fundas de teléfonos celulares. Esto hizo que las HSA fueran cada vez más flexibles y permitió a los investigadores fabricarlas con una impresora 3D de escritorio disponible.
Simplificando todo el proceso
Las versiones anteriores de los actuadores blandos HSA utilizaban servomotores ordinarios para rotar objetos en estados extendidos y extendidos. Pero los investigadores lograron una activación exitosa solo después de unir dos o cuatro HSA, cada uno con su propio motor. La construcción de actuadores blandos de esta manera presentó desafíos operativos y de fabricación. Esto redujo la sensibilidad de los activadores de HSA.
Para construir un actuador blando avanzado, los investigadores se propusieron diseñar un único HSA impulsado por un servomotor. La solución de Kim fue agregar fuelles de goma a la estructura que actuaba como un eje giratorio deformable. A medida que el motor proporciona torque (la acción que hace que el objeto gire), el actuador se extiende. Al girar el motor en una dirección u otra, el actuador se estira o contrae como un músculo.
«Taekyoung simplificó enormemente todo el proceso con la impresión 3D», dijo Truby. «Ahora tenemos un práctico actuador blando que cualquier robótico puede utilizar y fabricar».
Los fuelles agregaron suficiente apoyo para que Kim construyera un robot blando que se arrastra con un solo actuador que podría moverse por sí solo. Los movimientos de empujar y tirar del actuador impulsan al robot hacia adelante a través de un entorno confinado y sinuoso que simula una tubería.
«Nuestro robot puede realizar estos movimientos de extensión utilizando una única estructura», dijo Kim. «Esto hace que nuestro actuador sea más útil porque puede integrarse universalmente en todo tipo de sistemas robóticos».
La pieza que falta: rigidez muscular
El robot parecido a un gusano resultante era compacto (medía sólo 26 centímetros de largo) y se arrastraba (de ida y vuelta) a una velocidad de sólo 32 centímetros por minuto. Truby observó que tanto el robot como el bíceps artificial se endurecían cuando el actuador estaba completamente extendido, otra propiedad que los robots blandos anteriores no podían lograr.
«Al igual que los músculos, estos estímulos suaves en realidad se vuelven rígidos», dijo Truby. “Si alguna vez has torcido la tapa de un frasco, por ejemplo, sabrás que tus músculos se tensan y se ponen rígidos para transmitir la fuerza. Cómo tus músculos ayudan a tu cuerpo a funcionar. Esta es una característica que se pasa por alto en la robótica blanda. Muchos actuadores blandos se ablandan durante el uso, pero nuestros actuadores flexibles se endurecen a medida que funcionan.
Truby y Kim dicen que su nuevo actuador proporciona un paso más hacia robots más inspirados biológicamente.
«Los robots que pueden moverse como criaturas vivientes nos permiten pensar en robots que realizan tareas que los robots tradicionales no pueden», dijo Truby.
