La locomoción robótica bioinspirada es una subcategoría del diseño bioinspirado. Se trata de aprender conceptos de la naturaleza y aplicarlos al diseño de sistemas de ingeniería del mundo real. Más específicamente, este campo trata de hacer robots inspirados en sistemas biológicos , incluida la biomimética . La biomimética es copiar de la naturaleza, mientras que el diseño bioinspirado es aprender de la naturaleza y crear un mecanismo que sea más simple y más efectivo que el sistema observado en la naturaleza. La biomimética ha llevado al desarrollo de una rama diferente de la robótica llamada robótica blanda . Los sistemas biológicos se han optimizado para tareas específicas de acuerdo con su hábitat. Sin embargo, son multifuncionales y no están diseñados para una sola funcionalidad específica. La robótica bioinspirada trata de estudiar los sistemas biológicos y buscar los mecanismos que puedan resolver un problema en el campo de la ingeniería. Luego, el diseñador debe tratar de simplificar y mejorar ese mecanismo para la tarea específica de interés. Los robots bioinspirados suelen estar interesados en biosensores (por ejemplo, ojos ), bioactuadores (por ejemplo, músculos ) o biomateriales (por ejemplo, seda de araña ). La mayoría de los robots tienen algún tipo de sistema de locomoción. Por ello, en este artículo se presentan diferentes modos de locomoción animal y algunos ejemplos de los robots bioinspirados correspondientes.
La biolocomoción o locomoción animal se suele clasificar de la siguiente manera:
La locomoción en una superficie puede incluir locomoción terrestre y locomoción arbórea . Hablaremos específicamente de la locomoción terrestre en detalle en la siguiente sección.
Locomoción en un torrente sanguíneo o en un medio de cultivo celular nadando y volando . Hay muchos robots nadadores y voladores diseñados y construidos por expertos en robótica. [1] Algunos de ellos utilizan motores miniaturizados o actuadores MEMS convencionales (como piezoeléctricos, térmicos, magnéticos, etc.), [2] [3] [4] mientras que otros utilizan células musculares animales como motores. [5] [6] [7]
Existen muchos animales e insectos que se desplazan por la tierra con o sin patas. En esta sección analizaremos la locomoción con patas y sin extremidades, así como la escalada y el salto. El anclaje de los pies es fundamental para la locomoción en tierra. La capacidad de aumentar la tracción es importante para moverse sin resbalones en superficies como paredes rocosas lisas y hielo, y es especialmente crítica para moverse cuesta arriba. Existen numerosos mecanismos biológicos para proporcionar agarre: las garras dependen de mecanismos basados en la fricción; las patas de los gecos de las fuerzas de Van der Walls; y las patas de algunos insectos de las fuerzas adhesivas mediadas por fluidos. [8]
Los robots con patas pueden tener una, [9] [10] [11] dos, [12] cuatro, [13] seis, [14] [15] [16] o muchas patas [17] dependiendo de la aplicación. Una de las principales ventajas de usar patas en lugar de ruedas es moverse en entornos irregulares de manera más efectiva. La locomoción bípeda , cuadrúpeda y hexápeda se encuentran entre los tipos de locomoción con patas más favoritos en el campo de la robótica de inspiración biológica. Rhex , un robot hexápedo confiable [14] y Cheetah [18] son los dos robots que corren más rápido hasta ahora. iSprawl es otro robot hexápedo inspirado en la locomoción de las cucarachas que se ha desarrollado en la Universidad de Stanford. [15] Este robot puede correr hasta 15 longitudes de cuerpo por segundo y puede alcanzar velocidades de hasta 2,3 m/s. La versión original de este robot se impulsaba neumáticamente, mientras que la nueva generación utiliza un solo motor eléctrico para la locomoción. [16]
El terreno que involucra topografía en un rango de escalas de longitud puede ser un desafío para la mayoría de los organismos y robots biomiméticos. Dichos terrenos son fácilmente superados por organismos sin extremidades como las serpientes. Varios animales e insectos, incluidos gusanos , caracoles , orugas y serpientes , son capaces de locomoción sin extremidades. Hirose et al. presentan una revisión de robots similares a serpientes. [19] Estos robots se pueden clasificar como robots con ruedas pasivas o activas, robots con huellas activas y robots ondulantes que utilizan ondas verticales o expansiones lineales. La mayoría de los robots similares a serpientes usan ruedas, que tienen alta fricción cuando se mueven de lado a lado, pero baja fricción cuando ruedan hacia adelante (y se puede evitar que rueden hacia atrás). La mayoría de los robots similares a serpientes usan ondulación lateral o locomoción rectilínea y tienen dificultad para trepar verticalmente. Choset ha desarrollado recientemente un robot modular que puede imitar varios modos de andar de serpiente, pero no puede realizar movimientos de concertina . [20] Los investigadores de Georgia Tech han desarrollado recientemente dos robots similares a serpientes llamados Scalybot. El enfoque de estos robots se centra en el papel de las escamas ventrales de las serpientes para ajustar las propiedades de fricción en diferentes direcciones. Estos robots pueden controlar activamente sus escamas para modificar sus propiedades de fricción y moverse en una variedad de superficies de manera eficiente. [21] Los investigadores de la CMU han desarrollado robots similares a serpientes tanto a escala [22] como accionados de manera convencional. [23]
Escalar es una tarea especialmente difícil porque los errores cometidos por el escalador pueden hacer que pierda el agarre y se caiga. La mayoría de los robots se han construido en torno a una única funcionalidad observada en sus homólogos biológicos. Los geckobots suelen utilizar fuerzas de van der Waals que funcionan solo en superficies lisas. [24] Inspirándose en los geckos, los científicos de la Universidad de Stanford han creado artificialmente la propiedad adhesiva de un gecko. De manera similar a la cerda de la pata de un gecko, se colocaron millones de microfibras y se unieron a un resorte. La punta de la microfibra será afilada y puntiaguda en circunstancias normales, pero al activarse, el movimiento de un resorte creará una tensión que doblará estas microfibras y aumentará su área de contacto con la superficie de un vidrio o una pared. Utilizando la misma tecnología, los científicos de la NASA inventaron pinzas para geckos para diferentes aplicaciones en el espacio. Los Stickybots utilizan adhesivos secos direccionales que funcionan mejor en superficies lisas. [25] [26] [27] [28] [29] Los robots Spinybot [30] y RiSE [31] se encuentran entre los robots similares a insectos que utilizan espinas en su lugar. Los robots trepadores con patas tienen varias limitaciones. No pueden manejar obstáculos grandes ya que no son flexibles y requieren un espacio amplio para moverse. Por lo general, no pueden trepar superficies lisas y rugosas ni tampoco pueden manejar transiciones verticales a horizontales.
Una de las tareas que realizan comúnmente una variedad de organismos vivos es saltar . Bharal , liebres , canguros , saltamontes , pulgas y langostas se encuentran entre los mejores animales saltadores. En la EPFL se ha desarrollado un robot saltador en miniatura de 7 g inspirado en la langosta que puede saltar hasta 138 cm. [32] El evento de salto se induce liberando la tensión de un resorte. El robot en miniatura que salta más alto está inspirado en la langosta, pesa 23 gramos y su salto más alto a 365 cm es "TAUB" (Universidad de Tel-Aviv y Facultad de ingeniería Braude). [33] Utiliza resortes de torsión como almacenamiento de energía e incluye un mecanismo de alambre y pestillo para comprimir y liberar los resortes. ETH Zurich ha informado sobre un robot saltador suave basado en la combustión de metano y gas de la risa . [34] La expansión térmica del gas dentro de la cámara de combustión suave aumenta drásticamente el volumen de la cámara. Esto hace que el robot de 2 kg salte hasta 20 cm. El robot blando inspirado en un juguete regordete luego se reorienta a una posición vertical después de aterrizar.
Se calcula que al nadar algunos peces pueden alcanzar una eficiencia de propulsión superior al 90%. [35] Además, pueden acelerar y maniobrar mucho mejor que cualquier barco o submarino hecho por el hombre, y producen menos ruido y perturbaciones del agua. Por lo tanto, a muchos investigadores que estudian robots submarinos les gustaría copiar este tipo de locomoción. [36] Ejemplos notables son el pez robótico de ciencias de la computación G9 de la Universidad de Essex , [37] y el robot Tuna construido por el Instituto de Robótica de Campo, para analizar y modelar matemáticamente el movimiento de los tuniformes . [38] El Aqua Penguin, [39] diseñado y construido por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión por "aletas" delanteras de los pingüinos . Festo también ha construido el Aqua Ray y el Aqua Jelly, que emulan la locomoción de la manta raya y las medusas, respectivamente.
En 2014, el estudiante de doctorado Richard James Clapham y el profesor Huosheng Hu de la Universidad de Essex desarrollaron iSplash -II. Fue el primer pez robótico capaz de superar a los peces carangiformes reales en términos de velocidad máxima promedio (medida en longitudes corporales por segundo) y resistencia, la duración en la que se mantiene la velocidad máxima. [40] Esta construcción alcanzó velocidades de natación de 11,6 BL/s (es decir, 3,7 m/s). [41] La primera construcción, iSplash -I (2014), fue la primera plataforma robótica en aplicar un movimiento de natación carangiforme de longitud de cuerpo completo que, según se descubrió, aumentaba la velocidad de natación en un 27 % con respecto al enfoque tradicional de una forma de onda confinada en la parte posterior. [42]
Los robots modulares suelen ser capaces de realizar varias tareas y son especialmente útiles para misiones de búsqueda y rescate o de exploración. Algunos de los robots destacados en esta categoría incluyen un robot inspirado en una salamandra desarrollado en la EPFL que puede caminar y nadar, [43] un robot inspirado en una serpiente desarrollado en la Universidad Carnegie-Mellon que tiene cuatro modos diferentes de locomoción terrestre, [20] y un robot inspirado en una cucaracha que puede correr y trepar en una variedad de terrenos complejos. [14]
Los robots humanoides son robots que parecen humanos o están inspirados en la forma humana. Hay muchos tipos diferentes de robots humanoides para aplicaciones como asistencia personal, recepción, trabajo en industrias o compañía. Este tipo de robots también se utilizan con fines de investigación y se desarrollaron originalmente para construir mejores órtesis y prótesis para seres humanos. Petman es uno de los primeros y más avanzados robots humanoides desarrollados en Boston Dynamics. Algunos de los robots humanoides, como Honda Asimo, están sobreactuados. [44] Por otro lado, hay algunos robots humanoides como el robot desarrollado en la Universidad de Cornell que no tienen ningún actuador y caminan pasivamente descendiendo una pendiente poco profunda. [45]
El comportamiento colectivo de los animales ha sido de interés para los investigadores durante varios años. Las hormigas pueden construir estructuras como balsas para sobrevivir en los ríos. Los peces pueden percibir su entorno de manera más efectiva en grupos grandes. La robótica de enjambre es un campo bastante nuevo y el objetivo es crear robots que puedan trabajar juntos y transferir datos, crear estructuras en grupo, etc. [46]
Los robots blandos [47] son robots compuestos completamente de materiales blandos y movidos por presión neumática, similar a un pulpo o una estrella de mar . Estos robots son lo suficientemente flexibles como para moverse en espacios muy limitados (como en el cuerpo humano). Los primeros robots blandos multipaso se desarrollaron en 2011 [48] y el primer robot blando totalmente integrado e independiente (con baterías blandas y sistemas de control) se desarrolló en 2015. [49]