Con un método más eficiente para la polinización artificial, los agricultores podrían cultivar frutas y verduras dentro de graneros de varios niveles en el futuro, aumentando los rendimientos y reduciendo algunos de los efectos nocivos de la agricultura en el medio ambiente.
Para ayudar a hacer realidad esta idea, los investigadores del MIT están desarrollando insectos robóticos que algún día podrían salir de las colmenas mecánicas y realizar rápidamente una polinización precisa. Sin embargo, incluso los mejores robots del tamaño de un insecto no son rival para los polinizadores naturales como las abejas en lo que respecta a resistencia, velocidad y maniobrabilidad.
Ahora, inspirados por la anatomía de estos polinizadores naturales, los investigadores han modificado su diseño para crear pequeños robots aéreos que son más ágiles y duraderos que las versiones anteriores.
Los nuevos robots pueden flotar durante unos 1.000 segundos, 100 veces más de lo que se mostraba anteriormente. El insecto robótico, que pesa menos que un clip, puede volar significativamente más rápido que robots similares mientras realiza maniobras acrobáticas como dobles saltos aéreos.
El robot de nuevo diseño está diseñado para mejorar la precisión y la agilidad del vuelo al tiempo que reduce la tensión mecánica en los flexores de su brazo protésico, lo que permite maniobras más rápidas, mayor resistencia y una vida útil más larga.
El nuevo diseño también tiene suficiente espacio para que el robot lleve pequeñas baterías o sensores, lo que podría permitirle volar fuera del laboratorio.
“El vuelo que demostramos en este artículo es probablemente más largo de lo que nuestro campo ha podido lograr con estos insectos robóticos. Con la vida útil mejorada y la precisión de este robot, tenemos algunas aplicaciones muy interesantes como las auxiliares”. polinizador”, dice Kevin Chen, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), el Laboratorio de Microrobótica dentro del Laboratorio de Investigación de Software y Electrónica (RLE) y el Documento de Acceso Abierto sobre Nuevos Diseños. Autor principal de
A Chen se unieron en el artículo los coautores principales Suhan Kim y Yee-Hswan Hsiao, estudiantes de posgrado de EECS. así como el estudiante graduado de EECS Zhijian Ren y el estudiante visitante de verano Jiashu Huang. La investigación muestra hoy Robótica científica.
Mejorando el rendimiento
Las primeras versiones del gusano robótico consistían en cuatro unidades idénticas, cada una del tamaño de un microcassette en un dispositivo rectangular con dos alas.
“Pero no existe un gusano con ocho alas. En nuestro diseño anterior, el rendimiento de cada unidad individual siempre era mejor que el del robot ensamblado”, dice Chen.
Esta reducción en el rendimiento se debe en parte a la disposición de las alas, que soplan aire entre sí al aletear, reduciendo las fuerzas de sustentación que pueden producir.
El nuevo diseño corta el robot por la mitad. Cada una de las cuatro unidades idénticas ahora tiene un brazo batiente en el centro del robot, que estabiliza las alas y aumenta sus fuerzas de elevación. Con la mitad de las aletas, este diseño también libera espacio para que el robot pueda transportar componentes electrónicos.
Además, los investigadores crearon transmisiones más complejas que conectan las alas con actuadores, o músculos artificiales, que las hacen aletear. Estas transmisiones duraderas, que requieren un diseño de bisagra de ala larga, reducen la tensión mecánica que limitaba la resistencia de las versiones anteriores.
“En comparación con los robots más antiguos, ahora podemos generar tres veces el par de control anterior, razón por la cual podemos realizar vuelos de búsqueda de trayectorias altamente sofisticados y precisos”, dice Chen.
Sin embargo, a pesar de estas innovaciones de diseño, todavía existe una brecha entre los mejores insectos robóticos y los reales. Por ejemplo, una abeja tiene sólo dos alas, pero puede realizar movimientos rápidos y altamente controlados.
“Las alas de las abejas están controladas con precisión por un conjunto de músculos muy sofisticado”, afirma. “Este nivel de ajuste es algo que realmente nos intriga, pero aún no lo hemos podido replicar”.
Menos tensión, más fuerza
Las alas del robot son movidas por músculos artificiales. Estos pequeños y suaves actuadores están hechos de capas de elastómero intercaladas entre dos electrodos de nanotubos de carbono ultrafinos y luego envueltos en un cilindro blando. Los actuadores se contraen y alargan rápidamente, generando una fuerza mecánica que bate las alas.
En diseños anteriores, cuando los movimientos del actuador alcanzaban las frecuencias extremadamente altas requeridas para el vuelo, los instrumentos a menudo se doblaban. Esto reduce la potencia y la eficiencia del robot. Las transmisiones más nuevas evitan este movimiento de flexión, lo que reduce la tensión sobre los músculos artificiales y les permite ejercer más fuerza para batir las alas.
Otro nuevo diseño incluye una bisagra de ala más larga que reduce la tensión de torsión durante el movimiento de aleteo. Crear la bisagra, que mide unos 2 centímetros de largo pero sólo 200 micras de diámetro, fue uno de sus mayores desafíos.
“Si tienes incluso un pequeño problema de alineación durante el proceso de fabricación, la bisagra del ala estará torcida en lugar de rectangular, lo que afecta la cinemática del ala”, dice Chen.
Después de muchos intentos, los investigadores perfeccionaron un proceso de corte por láser de varios pasos que les permitió crear con precisión cada bisagra del ala.
Con las cuatro unidades en su lugar, el nuevo insecto robótico puede flotar durante más de 1.000 segundos, lo que equivale a unos 17 minutos, sin mostrar ninguna pérdida en la precisión del vuelo.
“Cuando mi alumno Nemo estaba haciendo el vuelo, dijo que fueron los 1.000 segundos más lentos que había tenido en toda su vida. La experiencia fue estresante”, dice Chen.
El nuevo robot también alcanzó una velocidad promedio de 35 centímetros por segundo, el vuelo más rápido que han informado los investigadores, con giros del cuerpo y dobles volteretas. Incluso puede detectar con precisión una velocidad que deletrea MIT.
“Al final del día, hemos demostrado un vuelo que es 100 veces más largo que cualquier otro en el campo, por lo que es un resultado muy emocionante”, dice.
A partir de aquí, Chen y sus estudiantes quieren ver hasta dónde pueden llevar el nuevo diseño, con el objetivo de lograr un tiempo de vuelo de más de 10.000 segundos.
También quieren mejorar la precisión del robot para que pueda aterrizar y despegar desde el centro de una flor. A largo plazo, los investigadores esperan instalar pequeñas baterías y sensores en robots aéreos para que puedan volar y navegar fuera del laboratorio.
“Esta nueva plataforma robótica es un logro importante para nuestro grupo y conduce a muchas direcciones interesantes. Por ejemplo, agregar sensores, baterías y capacidades informáticas a este robot será fundamental durante los próximos tres a cinco años. será el centro de atención ”, dice Chen.
Esta investigación está financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y una beca MathWorks.
