Ingenieros de la Universidad Northwestern han desarrollado un nuevo dispositivo blando y flexible que mueve robots expandiéndose y contrayéndose, tal como los músculos humanos.
Para demostrar su nuevo dispositivo, llamado actuador, los investigadores lo utilizaron para construir un robot blando cilíndrico con forma de gusano y un bíceps artificial. En los experimentos, el robot cilíndrico blando navegó por las curvas cerradas y cerradas de un entorno estrecho similar a una tubería, y Bicep pudo levantar continuamente un peso de 500 gramos 5000 veces sin fallar.
Debido a que los investigadores imprimieron en 3D el cuerpo del actuador blando usando una goma común, el robot resultante cuesta alrededor de $3, excluyendo el pequeño motor que cambia la forma del actuador. Esto contrasta marcadamente con los típicos actuadores rígidos utilizados en robótica, que a menudo cuestan entre cientos y miles de dólares.
Los investigadores dijeron que el nuevo actuador podría usarse para desarrollar robots más baratos, más suaves y flexibles que sean más seguros y prácticos para aplicaciones del mundo real.
La investigación fue publicada el lunes (8 de julio) en la revista. Sistema inteligente avanzado.
“Los especialistas en robótica están motivados por el antiguo objetivo de hacer que los robots sean más seguros”, dijo Ryan Turby, de Northwestern, quien dirigió la investigación. “Si un robot blando golpea a una persona, no le dolerá tanto como un robot duro y rígido. Nuestros actuadores se pueden utilizar en robots que son más prácticos para entornos centrados en el ser humano. Y, como son baratos, potencialmente podemos utilizar más de ellos en formas que históricamente han tenido un costo muy prohibitivo”.
Turby Jon y Donald Brewer son profesores junior de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, donde dirigen el Laboratorio de Materiales Robóticos. Taekyung Kim, investigador postdoctoral en el laboratorio de Turby y primer autor del artículo, dirigió la investigación. Pranav Karthik, candidato a doctorado en Ingeniería Mecánica también participó en el trabajo.
Robots que ‘se comportan y se mueven como seres vivos’
Aunque los actuadores rígidos han sido durante mucho tiempo la piedra angular del diseño de robots, su flexibilidad, adaptabilidad y seguridad limitadas han llevado a los robóticos a explorar los actuadores blandos como alternativa. Para diseñar los actuadores blandos, Terbi y su equipo se inspiraron en los músculos humanos, que se contraen y se endurecen simultáneamente.
“¿Cómo se fabrica un material que pueda moverse como un músculo?” preguntó Turby. “Si podemos hacer eso, podremos crear robots que se comporten y se muevan como organismos vivos”.
Para desarrollar el nuevo actuador, el equipo imprimió en 3D estructuras cilíndricas llamadas “actuadores de corte manual” (HSA) a partir de caucho. Difíciles de fabricar, los HSA forman una estructura compleja que permite movimientos y propiedades únicos. Por ejemplo, cuando se doblan, las HSA se expanden y expanden. Aunque Turbi y Karthik habían impreso estructuras HSA similares para robots en el pasado, estaban obligados a utilizar impresoras costosas y resinas de plástico duro. Como resultado, sus HSA anteriores no podían desviarse ni distorsionarse fácilmente.
“Para que esto funcione, necesitamos encontrar una manera de hacer que las HSA sean más suaves y sostenibles”, dijo Kim. “Descubrimos cómo producir HSA suaves pero resistentes a partir de caucho utilizando una impresora 3D de escritorio barata y más disponible”.
Kim imprimió los HSA con poliuretano termoplástico, un caucho común que se usa a menudo en las carcasas de los teléfonos celulares. Si bien esto hizo que las HSA fueran mucho más suaves y flexibles, aún quedaba un desafío: cómo doblar las HSA para expandirlas.
Las versiones anteriores de los actuadores blandos HSA utilizaban servomotores convencionales para doblar el material en posiciones extendidas y estiradas. Pero los investigadores lograron el éxito sólo después de ensamblar dos o cuatro HSA, cada uno con su propio motor, juntos. Por lo tanto, la construcción de actuadores blandos presentó desafíos operativos y de fabricación. También redujo la flexibilidad de los actuadores HSA.
Para crear un mejor actuador blando, los investigadores se propusieron diseñar un HSA impulsado por un servomotor. Pero primero, el equipo necesitaba encontrar una manera de convertir un único motor en un único HSA.
Simplificando todo el proceso
Para resolver este problema, Kim añadió a la estructura un fuelle de goma suave y expandible que actuaba como un eje giratorio inflexible. A medida que el motor entrega torque (una acción que hace que un objeto gire), el actuador se extiende. Simplemente girar el motor en una dirección u otra extiende o contrae el actuador.
“Básicamente, Taekyoung creó dos partes de goma para crear un movimiento similar al de un músculo con el giro del motor”, dijo Turbi. “Si bien el campo ha fabricado actuadores blandos de formas más engorrosas, Taekyoung ha simplificado enormemente todo el proceso con la impresión 3D. Ahora, tenemos un actuador blando práctico que cualquier robótico puede usar y construir”.
Las enredaderas proporcionaron suficiente apoyo para que Kim construyera un robot blando reptante de un solo actuador que se movía por sí solo. Los movimientos de empujar y tirar del actuador impulsan al robot a través de un entorno confinado y sinuoso en forma de tubería.
“Nuestro robot puede realizar este movimiento extendido 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 resultante, parecido a un insecto, era compacto (sólo 26 centímetros de largo) y se arrastraba (hacia adelante y hacia atrás) a una velocidad de sólo 32 centímetros por minuto. Turby observó que tanto el robot como el bíceps artificial se ponen rígidos cuando el actuador está completamente extendido. Ésta era otra característica que los robots blandos anteriores no habían logrado lograr.
“Al igual que un músculo, estos actuadores blandos son en realidad duros”, dijo Turby. “Si alguna vez has girado la tapa de un frasco, por ejemplo, sabrás que tus músculos están rígidos y es difícil transmitir fuerza. Así es como tus músculos ayudan a tu cuerpo a trabajar. Esta ha sido una característica que se ha pasado por alto en la robótica blanda. Muchos actuadores blandos se vuelven son suaves cuando están en uso, pero nuestros actuadores flexibles se vuelven rígidos durante el funcionamiento”.
Turby y Kim dicen que su nuevo actuador proporciona un paso más hacia robots más bioinspirados.
“Los robots que pueden moverse como seres vivos nos permitirán pensar en robots que hacen cosas que los robots tradicionales no pueden hacer”, dijo Turby.
El estudio, “Un actuador robótico suave y flexible de arquitectura para movimiento lineal servoimpulsado”, fue apoyado por el Premio Turby Young Investigator de la Oficina de Investigación Naval y el Centro Noroeste de Ingeniería y Resiliencia de Sostenibilidad.
