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