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Robótica bioinspirada

Dos robots u-CAT que se están desarrollando en la Universidad Tecnológica de Tallin para reducir el coste de las operaciones arqueológicas submarinas

La locomoción robótica bioinspirada es una subcategoría [ cita necesaria ] bastante nueva de 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 fabricar robots inspirados en sistemas biológicos , incluida la biomímesis . La biomímesis es copiar de la naturaleza, mientras que el diseño bioinspirado aprende de la naturaleza y crea un mecanismo que es más simple y efectivo que el sistema observado en la naturaleza. La biomímesis ha llevado al desarrollo de una rama diferente de la robótica llamada robótica blanda . Los sistemas biológicos han sido optimizados para tareas específicas según su hábitat. Sin embargo, son multifuncionales y no están diseñados para una sola funcionalidad específica. La robótica bioinspirada consiste en estudiar sistemas biológicos y buscar mecanismos que puedan resolver un problema en el campo de la ingeniería. Luego, el diseñador debería intentar simplificar y mejorar ese mecanismo para la tarea específica de interés. Los robóticos de inspiración biológica suelen estar interesados ​​en biosensores (por ejemplo, ojos ), bioactuadores (por ejemplo, músculos ) o biomateriales (por ejemplo, seda de araña ). La mayoría de los robots cuentan con algún tipo de sistema de locomoción. Así, en este artículo se presentan diferentes modos de locomoción animal y algunos ejemplos de los correspondientes robots bioinspirados.

Stickybot: un robot inspirado en un gecko

Biolocomoción

La biolocomoción o locomoción animal suele clasificarse de la siguiente manera:

Locomoción sobre una superficie.

La locomoción sobre una superficie puede incluir la locomoción terrestre y la locomoción arbórea . Discutiremos específicamente sobre la locomoción terrestre en detalle en la siguiente sección.

Murciélago Townsend de orejas grandes ( Corynorhinus townsendii )

Locomoción en un fluido.

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 robóticos. [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]

Clasificación conductual (locomoción terrestre)

Hay muchos animales e insectos que se mueven por la tierra con o sin patas. En esta sección discutiremos la locomoción con piernas y sin extremidades, así como también la escalada y el salto. Anclar los pies es fundamental para la locomoción en tierra. La capacidad de aumentar la tracción es importante para un movimiento sin deslizamiento en superficies como rocas 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; pies de gecko sobre fuerzas de van der wall; y algunas patas de insectos sobre fuerzas adhesivas mediadas por fluidos. [8]

Rhex: un robot hexapedal confiable

locomoción de piernas

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 utilizar patas en lugar de ruedas es que se mueve con mayor eficacia en entornos irregulares. La locomoción bípeda , cuadrúpeda y hexapédica se encuentran entre los tipos de locomoción con piernas más favoritos en el campo de la robótica bioinspirada. Rhex , un robot hexapedal 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 ha sido desarrollado en la Universidad de Stanford. [15] Este robot puede recorrer hasta 15 longitudes corporales por segundo y puede alcanzar velocidades de hasta 2,3 m/s. La versión original de este robot era accionada neumáticamente mientras que la nueva generación utiliza un único motor eléctrico para su locomoción. [dieciséis]

locomoción sin extremidades

El terreno que involucra topografía en una variedad de escalas de longitud puede ser un desafío para la mayoría de los organismos y robots biomiméticos. Estos terrenos son fácilmente transitados por organismos sin extremidades, como las serpientes. Varios animales e insectos, incluidos gusanos , caracoles , orugas y serpientes , son capaces de moverse sin extremidades. Hirose et al. presentan una revisión de los robots con forma de serpiente. [19] Estos robots se pueden clasificar como robots con ruedas pasivas o activas, robots con bandas de rodadura activas y robots ondulados que utilizan ondas verticales o expansiones lineales. La mayoría de los robots con forma de serpiente utilizan ruedas, que tienen una 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 con forma de serpiente utilizan ondulación lateral o locomoción rectilínea y tienen dificultades para ascender verticalmente. Choset ha desarrollado recientemente un robot modular que puede imitar varios movimientos de serpiente, pero no puede realizar movimientos de acordeón . [20] Investigadores de Georgia Tech han desarrollado recientemente dos robots con forma de serpiente llamados Scalybot. El objetivo de estos robots es el papel de las escamas ventrales de las serpientes a la hora de ajustar las propiedades de fricción en diferentes direcciones. Estos robots pueden controlar activamente sus escalas para modificar sus propiedades de fricción y moverse sobre una variedad de superficies de manera eficiente. [21] Los investigadores de CMU han desarrollado robots con forma de serpiente accionados tanto a escala [22] como convencionales. [23]

Escalada

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 actúan sólo en superficies lisas. [24] Inspirándose en los geckos, los científicos de la Universidad de Stanford han recreado artificialmente la propiedad adhesiva de un gecko. De manera similar a la seta en 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 habituales, pero al accionarse, 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 las 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 parecidos a insectos que utilizan espinas en su lugar. Los robots trepadores con patas tienen varias limitaciones. No pueden manejar grandes obstáculos ya que no son flexibles y requieren un amplio espacio para moverse. Por lo general, no pueden escalar superficies lisas y rugosas ni tampoco manejar transiciones verticales a horizontales.

saltando

Una de las tareas comúnmente realizadas por 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 las langostas 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 hasta 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 presentado un robot de salto 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 roly-poly se reorienta a una posición vertical después del aterrizaje.

Clasificación conductual (locomoción acuática)

Natación (piscina)

Se calcula que al nadar algunos peces pueden alcanzar una eficiencia propulsora superior al 90%. [35] Además, pueden acelerar y maniobrar mucho mejor que cualquier barco o submarino artificial, y producir menos ruido y perturbaciones en el agua. Por eso, a muchos investigadores que estudian robots submarinos les gustaría copiar este tipo de locomoción. [36] Ejemplos notables son el pez robótico G9 de informática 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 tunniforme . [38] El Aqua Penguin, [39] diseñado y construido por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión mediante "aletas" delanteras de los pingüinos . Festo también ha construido Aqua Ray y Aqua Jelly, que emulan la locomoción de las mantarrayas y las medusas, respectivamente.

Pez robótico: iSplash -II

En 2014, iSplash -II fue desarrollado por el estudiante de doctorado Richard James Clapham y el profesor Huosheng Hu de la Universidad de Essex. Fue el primer pez robótico capaz de superar a los peces carangiformes reales en términos de velocidad máxima promedio (medida en longitudes del cuerpo/segundo) y resistencia, el tiempo que se mantiene la velocidad máxima. [40] Esta estructura alcanzó velocidades de natación de 11,6BL/s (es decir, 3,7 m/s). [41] La primera construcción, iSplash -I (2014), fue la primera plataforma robótica que aplicó un movimiento de natación carangiforme de longitud completa que aumentaba la velocidad de natación en un 27 % con respecto al enfoque tradicional de una forma de onda posterior confinada. [42]

Clasificación morfológica

Modular

Honda Asimo: un robot humanoide

Los robots modulares suelen ser capaces de realizar varias tareas y son específicamente 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 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 una cucaracha. El robot inspirado puede correr y trepar en una variedad de terrenos complejos. [14]

humanoide

Los robots humanoides son robots que parecen humanos o están inspirados en la forma humana. Existen 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 fueron desarrollados 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 el Honda Asimo, están sobreactivados. [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]

enjambre

El comportamiento colectivo de los animales interesa a los investigadores desde hace varios años. Las hormigas pueden construir estructuras como balsas para sobrevivir en los ríos. Los peces pueden sentir su entorno de forma más eficaz 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 como grupo, etc. [46]

Suave

Los robots blandos [47] son ​​robots compuestos enteramente de materiales blandos y se mueven mediante 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 de marcha múltiple se desarrollaron en 2011 [48] y el primer robot blando independiente y completamente integrado (con baterías blandas y sistemas de control) se desarrolló en 2015. [49]

Ver también

Referencias

  1. ^ Oliveira Santos, Sara; Ataque, Nils; Su, Yunxing; Cuenca-Jiménez, Francisco; Morales-López, Oscar; Gómez-Valdez, P. Antonio; M Wilhelmus, Mónica (13 de junio de 2023). "Pleobot: una solución robótica modular para natación metacrónica". Informes científicos . 13 (1): 9574. Código bibliográfico : 2023NatSR..13.9574O. doi :10.1038/s41598-023-36185-2. PMC  10264458 . PMID  37311777.
  2. ^ R. Fearing, S. Avadhanula, D. Campolo, M. Sitti, J. Jan y R. Wood, "El tórax de un insecto volador micromecánico", Neurotecnología para robots biomiméticos, págs. 469–480, 2002.
  3. ^ G. Dudek, M. Jenkin, C. Prahacs, A. Hogue, J. Sattar, P. Giguere, A. German, H. Liu, S. Saunderson, A. Ripsman, et al., "A visualmente robot nadador guiado", en la Conferencia Internacional IEEE/RSJ sobre Sistemas y Robots Inteligentes, IROS, págs. 3604–3609, 2005.
  4. ^ A. Alessi, A. Sudano, D. Accoto, E. Guglielmelli, "Desarrollo de un pez robótico autónomo", en Robótica y biomecatrónica biomédica (BioRob), 2012, cuarta conferencia internacional IEEE RAS y EMBS sobre (págs. 1032-1037 ). IEEE.
  5. ^ Nawroth; et al. (2012). "Una medusa creada mediante ingeniería tisular con propulsión biomimética". Biotecnología de la Naturaleza . 30 (8): 792–797. doi :10.1038/nbt.2269. PMC 4026938 . PMID  22820316. 
  6. ^ Parque; et al. (2016). "Guía fototáctica de un rayo robótico blando diseñado con tejidos". Ciencia . 353 (6295): 158–162. Código Bib : 2016 Ciencia... 353.. 158P. doi : 10.1126/ciencia.aaf4292 . PMC 5526330 . PMID  27387948. 
  7. ^ Espinilla; et al. (2018). "Robots blandos de microingeniería y bioinspiración impulsados ​​eléctricamente". Materiales avanzados . 30 (10): 1704189. Código bibliográfico : 2018AdM....3004189S. doi :10.1002/adma.201704189. PMC 6082116 . PMID  29323433. 
  8. ^ RM Alexander, Principios de la locomoción animal. Prensa de la Universidad de Princeton, 2003
  9. ^ MH Raibert, HB Brown, "Experimentos en equilibrio con una máquina de salto de una sola pierna 2D", Revista ASME de sistemas dinámicos, medición y control, páginas 75-81, 1984.
  10. ^ M. Ahmadi y M. Buehler, "Control estable de un robot que corre con una sola pierna simulado con flexibilidad de cadera y pierna", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 13, núm. 1, págs. 96 a 104, 1997.
  11. ^ P. Gregorio, M. Ahmadi y M. Buehler, "Diseño, control y energía de un robot con patas accionado eléctricamente", IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Parte B: Cybernetics, vol. 27, núm. 4, págs. 626–634, 1997.
  12. ^ R. Niiyama, A. Nagakubo e Y. Kuniyoshi, "Mowgli: un robot bípedo de salto y aterrizaje con un sistema musculoesquelético artificial", en la Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización, págs.
  13. ^ M. Raibert, K. Blankespoor, G. Nelson, R. Playter y otros, "Bigdog, el robot cuadrúpedo para terrenos accidentados", en Actas del 17º Congreso Mundial, págs. 10823-10825, 2008.
  14. ^ abc U. Saranli, M. Buehler y D. Koditschek, "Rhex: un robot hexápodo simple y altamente móvil", The International Journal of Robotics Research, vol. 20, núm. 7, págs. 616–631, 2001.
  15. ^ ab J. Clark, J. Cham, S. Bailey, E. Froehlich, P. Nahata, M. Cutkosky, et al., "Diseño biomimético y fabricación de un robot en funcionamiento hexapedal", en Robotics and Automation, 2001. Actas 2001 ICRA. Conferencia internacional IEEE sobre, vol. 4, págs. 3643–3649, 2001.
  16. ^ ab S. Kim, J. Clark y M. Cutkosky, "isprawl: diseño y ajuste para funcionamiento autónomo de circuito abierto de alta velocidad", The International Journal of Robotics Research, vol. 25, núm. 9, págs. 903–912, 2006.
  17. ^ S. Wakimoto, K. Suzumori, T. Kanda, et al., "Un robot anfibio biomimético de cuerda blanda", Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos, Parte C, vol. 18, núm. 2, págs. 471–477, 2006.
  18. ^ Y. Li, B. Li, J. Ruan y X. Rong, "Investigación de robots cuadrúpedos biónicos de mamíferos: una revisión", en Robótica, Conferencia IEEE sobre automatización y mecatrónica, págs.
  19. ^ S. Hirose, P. Cave y C. Goulden, Robots de inspiración biológica: locomotoras y manipuladores con forma de serpiente, vol. 64. Oxford University Press Oxford, Reino Unido, 1993
  20. ^ ab R. Hatton y H. Choset, "Generación de marchas para robots serpiente: ajuste de cadena recocida y extracción de ondas de fotogramas clave", Robots autónomos, vol. 28, núm. 3, págs. 271–281, 2010.
  21. ^ H. Marvi, G. Meyers, G. Russell, D. Hu, "Scalybot: un robot inspirado en una serpiente con anisotropía de fricción activa", Conferencia de control y sistemas dinámicos de ASME, Arlington, VA, 2011.
  22. ^ Simon, Matt (21 de febrero de 2010). "La piel de serpiente le da a un robot el poder de gatear". Cableado .
  23. ^ Simon, Matt (2 de noviembre de 2017). "Esta serpiente robot no quiere hacerte daño, de verdad". Cableado .
  24. ^ O. Unver, A. Uneri, A. Aydemir y M. Sitti, "Geckobot: un robot trepador inspirado en un gecko que utiliza adhesivos elastómeros", en la Conferencia Internacional sobre Robótica y Automatización, págs. 2329-2335, 2006.
  25. ^ S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, D. Santos y M. Cutkosky, "Escalada en superficie vertical suave con adhesión direccional", IEEE Transactions on Robotics, vol. 24, núm. 1, págs. 65 a 74, 2008.
  26. ^ S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, V. Mattoli y M. Cutkosky, "Adhesión de todo el cuerpo: control jerárquico, direccional y distribuido de fuerzas adhesivas para un robot trepador", en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización, págs. 1268-1273, 2007.
  27. ^ D. Santos, B. Heyneman, S. Kim, N. Esparza y ​​M. Cutkosky, "Comportamientos de escalada inspirados en Gecko en superficies verticales y colgantes", en la Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización, págs. 2008.
  28. ^ A. Asbeck, S. Dastoor, A. Parness, L. Fullerton, N. Esparza, D. Soto, B. Heyneman y M. Cutkosky, "Escalada por superficies verticales rugosas con adhesión direccional jerárquica", en la Conferencia internacional IEEE sobre Robótica y automatización, págs. 2675–2680, 2009.
  29. ^ S. Trujillo, B. Heyneman y M. Cutkosky, "Regulación de la marcha convergente restringida para un robot trepador", en la Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización, págs. 5243–5249, 2010.
  30. ^ A. Asbeck, S. Kim, M. Cutkosky, W. Provancher, M. Lanzetta, "Escalado de superficies verticales duras con matrices de microespinas compatibles", The International Journal of Robotics Research, Vol.25, No. 12, págs. 1165 -1179, 2006.
  31. ^ M. Spenko, G. Haynes, J. Saunders, M. Cutkosky, A. Rizzi, D. Koditschek, et al., "Escalada biológicamente inspirada con un robot hexapedal", Journal of Field Robotics, vol. 25, núm. 4-5, págs. 223-242, 2008.
  32. ^ M. Kovac, M. Fuchs, A. Guignard, J. Zufferey y D. Floreano, "Un robot saltador en miniatura de 7 g", en la Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización, págs. 373–378, 2008.
  33. ^ V. Zaitsev, O. Gvirsman, U. Ben Hanan, A. Weiss, A. Ayali y G. Kosa, "Un robot saltador en miniatura inspirado en las langostas", en Bioinspiración y biomimética, 10 (6), p.066012.
  34. ^ M. Loepfe, CM Schumacher, UB Lustenberger y WJ Stark, "Un robot blando Roly-Poly saltador y sin ataduras impulsado por combustión", Soft Robotics, vol. 2, núm. 1, págs. 33-41, 2015.
  35. ^ Sfakiotakis; et al. (1999). "Revisión de los modos de natación de peces para la locomoción acuática" (PDF) . Revista IEEE de Ingeniería Oceánica . 24 (2): 237. Código bibliográfico : 1999IJOE...24..237S. doi : 10.1109/48.757275. S2CID  17226211. Archivado desde el original (PDF) el 26 de septiembre de 2007 . Consultado el 24 de octubre de 2007 .
  36. ^ Richard Mason. "¿Cuál es el mercado del pez robot?". Archivado desde el original el 4 de julio de 2009.
  37. ^ "Pez robótico impulsado por Gumstix PC y PIC". Grupo de Robótica Centrada en el Hombre de la Universidad de Essex. Archivado desde el original el 14 de agosto de 2011 . Consultado el 25 de octubre de 2007 .
  38. ^ Witoon Juwarahawong. "Pez robot". Instituto de Robótica de Campo. Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2007 . Consultado el 25 de octubre de 2007 .
  39. ^ youtube.com
  40. ^ "Pez robótico de alta velocidad | iSplash". isplash-robot . Consultado el 7 de enero de 2017 .
  41. ^ "iSplash-II: Realización de una natación carangiforme rápida para superar a un pez real" (PDF) . Grupo de Robótica de la Universidad de Essex. Archivado desde el original (PDF) el 30 de septiembre de 2015 . Consultado el 29 de septiembre de 2015 .
  42. ^ "iSplash-I: movimiento de natación de alto rendimiento de un pez robótico carangiforme con coordinación de todo el cuerpo" (PDF) . Grupo de Robótica de la Universidad de Essex. Archivado desde el original (PDF) el 30 de septiembre de 2015 . Consultado el 29 de septiembre de 2015 .
  43. ^ AJ Ijspeert, A. Crespi, D. Ryczko y J.-M. Cabelguen, "De nadar a caminar con un robot salamandra impulsado por un modelo de médula espinal", Science, vol. 315, núm. 5817, pág. 1416-1420, 2007.
  44. ^ K. Hirer, M. Hirose, Y. Haikawa y T. Takenaka, "El desarrollo del robot humanoide Honda", en la Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización, vol. 2, págs. 1321-1326, 1998.
  45. ^ S. Collins, M. Wisse y A. Ruina, "Un robot caminante pasivo-dinámico tridimensional con dos piernas y rodillas", The International Journal of Robotics Research, vol. 20, núm. 7, págs. 607–615, 2001.
  46. ^ E. S ̧ahin, "Robótica Swarm: desde fuentes de inspiración hasta dominios de aplicación", Swarm Robotics, págs. 10-20, 2005.
  47. ^ Trivedi, D., Rahn, CD, Kier, WM y Walker, ID (2008). Robótica blanda: inspiración biológica, estado del arte e investigaciones futuras. Biónica y biomecánica aplicadas, 5(3), 99-117.
  48. ^ R. Shepherd, F. Ilievski, W. Choi, S. Morin, A. Stokes, A. Mazzeo, X. Chen, M. Wang y G. Whitesides, "Robot blando multimarcha", Actas de la Academia Nacional de Ciencias, vol. 108, núm. 51, págs. 20400–20403, 2011.
  49. ^ Webb, Jonathan (25 de agosto de 2016). "Pneumatic Octopus es el primer robot suave y solitario". Noticias de la BBC . Consultado el 25 de agosto de 2016 .

enlaces externos

laboratorios de investigación