Músculos artificiales impulsan una pierna robótica para caminar y saltar.

Una nueva pierna robótica impulsada por músculos no sólo tiene más energía que una pierna tradicional, sino que puede saltar más alto y moverse más rápido, además de detectar obstáculos y reaccionar ante ellos, todo lo cual es complejo sin necesidad de sensores. La nueva pierna fue desarrollada por investigadores de ETH Zurich y el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) en una asociación de investigación llamada Centro Max Planck ETH para Sistemas de Aprendizaje, conocido como CLS. El equipo de CLS estuvo dirigido por Robert Katzchmann de ETH Zurich y Christoph Kiplinger de MPI-IS. Sus estudiantes de doctorado Thomas Buckner y Toshihiko Fukushima son coautores de la publicación del equipo sobre una pierna robótica musculoesquelética inspirada en animales en Nature Communications.

Cargado de electricidad como un globo.

Al igual que en humanos y animales, un músculo extensor y un flexor garantizan que la pierna robótica pueda moverse en ambas direcciones. Estos actuadores electrohidráulicos, que los investigadores denominan HASEL, están unidos al esqueleto mediante bisagras.

Los actuadores son bolsas de plástico llenas de aceite que se utilizan para fabricar cubitos de hielo. Aproximadamente la mitad de cada bolsa está recubierta por ambos lados con un electrodo negro hecho de un material conductor. “Cuando aplicamos tensión a los electrodos, estos se atraen entre sí mediante electricidad estática”, explica Buchner. “A medida que uno aumenta el voltaje, los electrodos se acercan y empujan el aceite de la bolsa hacia un lado, haciendo que la bolsa sea más pequeña en general.

Los pares de estos actuadores unidos al esqueleto dan como resultado los mismos movimientos musculares emparejados que en los organismos vivos: a medida que un músculo se acorta, su contraparte se alarga. Los investigadores utilizan un código informático que se comunica con un amplificador de alto voltaje para controlar qué actuadores se contraen y cuáles se extienden.

Más eficiente que los motores eléctricos.

Los investigadores compararon la eficiencia energética de su pierna robótica con la de una pierna robótica convencional impulsada por un motor eléctrico. Entre otras cosas, analizaron cuánta energía se convierte innecesariamente en calor. “En la imagen infrarroja, es fácil ver que la pierna motorizada gasta mucha energía si, por ejemplo, la mantiene en una posición doblada”, dice Buckner. Por el contrario, la temperatura en el brazo electrohidráulico sigue siendo la misma. Esto se debe a que el músculo artificial es electrostático. “Es como la analogía del globo y el cabello, donde el cabello se pega al globo durante mucho tiempo”, añadió Buchner. “Por lo general, los robots impulsados ​​por motores eléctricos requieren una gestión del calor que requiere disipadores o ventiladores adicionales para disipar el calor en el aire. Nuestro sistema no los necesita”, afirma Fukushima.

Movimiento ágil en terreno irregular.

La capacidad de salto de la pierna robótica se basa en su capacidad para levantar su propio peso de forma explosiva. Los investigadores también demostraron que la pierna robótica tiene un alto grado de adaptabilidad, lo que es especialmente importante en el caso de la robótica blanda. Sólo si el sistema muscular tiene suficiente flexibilidad podrá adaptarse con flexibilidad al área en cuestión. “Con los seres vivos no ocurre lo mismo. Por ejemplo, si no podemos doblar las rodillas, caminar sobre superficies irregulares se vuelve más difícil”, afirma Katzchuman. “Solo piensa en bajar de la acera a la calle”.

A diferencia de los motores eléctricos que requieren sensores que les indiquen continuamente en qué ángulo se encuentra la pierna robótica, los músculos artificiales se adaptan a la posición adecuada interactuando con el entorno. Es impulsado por sólo dos señales de entrada: una para doblar la articulación y otra para extenderla. Fukushima explica: “La adaptación al terreno es un aspecto importante. Cuando una persona aterriza después de saltar en el aire, no necesita pensar de antemano si debe doblar las rodillas en un ángulo de 90 grados o de 70 grados. El mismo principio se aplica a la musculatura de la pierna robótica: al aterrizar, la articulación de la pierna se mueve en un ángulo apropiado dependiendo de si la superficie es dura o blanda.

La tecnología emergente abre nuevas posibilidades.

El campo de investigación de los actuadores electrohidráulicos es todavía joven y surgió hace sólo seis años. “El campo de la robótica avanza rápidamente con controles avanzados y aprendizaje automático; por el contrario, se ha avanzado poco con el hardware robótico, que es igualmente importante. Esta publicación es un poderoso recordatorio de ello. “¿Cuántas posibilidades se crean al introducir innovaciones disruptivas, nuevos conceptos de hardware, como el uso de músculos artificiales”, afirma Kiplinger. Katzschmann añadió que es poco probable que los actuadores electrohidráulicos se utilicen en maquinaria pesada en las obras de construcción, pero ofrecen claras ventajas sobre los motores eléctricos estándar. Esto es particularmente evidente en aplicaciones como las pinzas, donde los movimientos dependen de si el objeto que se agarra es, por ejemplo, una pelota, un huevo o un tomate.

Katzschmann tiene una reserva: “En comparación con los robots con motor eléctrico, nuestro sistema todavía es limitado. Actualmente, la pierna está sujeta a un palo, salta en círculos y todavía no puede moverse libremente”. El trabajo futuro debería superar estas limitaciones, abriendo la puerta al desarrollo de robots reales con músculos artificiales. Y explica además: “Si combinamos la pierna robótica en un robot cuadrilátero o un robot humanoide con dos piernas, tal vez algún día, cuando funcione con batería, podamos implementarlo como un robot de rescate”.