La robótica blanda es un subcampo de la robótica que se ocupa del diseño, control y fabricación de robots compuestos de materiales flexibles , en lugar de enlaces rígidos . [1] [2]
A diferencia de los robots de cuerpo rígido construidos a partir de metales, cerámicas y plásticos duros, la flexibilidad de los robots blandos puede mejorar su seguridad cuando trabajan en estrecho contacto con humanos. [2]
Tipos y diseños
El objetivo de la robótica blanda es el diseño y la construcción de robots con cuerpos y componentes electrónicos físicamente flexibles. En algunas aplicaciones, la suavidad se limita a una región localizada de una máquina. Por ejemplo, los brazos robóticos de cuerpo rígido pueden emplear efectores finales blandos para agarrar y manipular suavemente objetos delicados o de forma irregular. [3] La mayoría de los robots móviles de cuerpo rígido también emplean estratégicamente componentes blandos, como almohadillas para los pies para absorber los golpes o articulaciones elásticas para almacenar/liberar energía elástica. Sin embargo, el campo de la robótica blanda generalmente se centra en la creación de máquinas que son predominantemente o completamente blandas. Los robots con cuerpos completamente blandos tienen un potencial tremendo, como la flexibilidad que les permite meterse en lugares en los que los cuerpos rígidos no pueden, lo que podría resultar útil en situaciones de socorro en caso de desastre. Los robots blandos también son más seguros para la interacción humana y para el despliegue interno dentro de un cuerpo humano. [4]
La naturaleza es a menudo una fuente de inspiración para el diseño de robots blandos, dado que los propios animales están compuestos en su mayoría de componentes blandos y parecen explotar su suavidad para un movimiento eficiente en entornos complejos casi en todas partes de la Tierra. [5] Por lo tanto, los robots blandos a menudo se diseñan para parecerse a criaturas familiares, especialmente organismos completamente blandos como los pulpos. Sin embargo, es extremadamente difícil diseñar y controlar manualmente robots blandos debido a su baja impedancia mecánica. Lo mismo que hace que los robots blandos sean beneficiosos (su flexibilidad y cumplimiento) los hace difíciles de controlar. Las matemáticas desarrolladas durante los últimos siglos para diseñar cuerpos rígidos generalmente no se extienden a los robots blandos. Por lo tanto, los robots blandos se diseñan comúnmente en parte con la ayuda de herramientas de diseño automatizadas, como algoritmos evolutivos, que permiten que la forma, las propiedades del material y el controlador de un robot blando se diseñen y optimicen de manera simultánea y automática para una tarea determinada. [6]
Biomimetismo
Las células vegetales pueden producir presión hidrostática de manera inherente debido a un gradiente de concentración de soluto entre el citoplasma y el entorno externo (potencial osmótico). Además, las plantas pueden ajustar esta concentración a través del movimiento de iones a través de la membrana celular. Esto luego cambia la forma y el volumen de la planta a medida que responde a este cambio en la presión hidrostática. Esta evolución de la forma derivada de la presión es deseable para la robótica blanda y se puede emular para crear materiales adaptables a la presión mediante el uso del flujo de fluidos . [7] La siguiente ecuación [8] modela la tasa de cambio del volumen celular:
Este principio se ha aprovechado en la creación de sistemas de presión para robótica blanda. Estos sistemas están compuestos de resinas blandas y contienen múltiples sacos de fluidos con membranas semipermeables. La semipermeabilidad permite el transporte de fluidos que luego conduce a la generación de presión. Esta combinación de transporte de fluidos y generación de presión conduce a un cambio de forma y volumen. [7]
Otro mecanismo de cambio de forma inherente a la biología es el cambio de forma higroscópico. En este mecanismo, las células vegetales reaccionan a los cambios de humedad. Cuando la atmósfera circundante tiene una humedad alta, las células vegetales se hinchan, pero cuando la atmósfera circundante tiene una humedad baja, las células vegetales se encogen. Este cambio de volumen se ha observado en los granos de polen [9] y en las escamas de las piñas. [7] [10]
También se pueden derivar enfoques similares a las articulaciones blandas hidráulicas de la locomoción arácnida , donde el control fuerte y preciso sobre una articulación se puede controlar principalmente a través de la hemolinfa comprimida.
Fabricación
Las técnicas de fabricación convencionales, como las técnicas sustractivas como el taladrado y el fresado, no son de ayuda a la hora de construir robots blandos, ya que estos robots tienen formas complejas con cuerpos deformables. Por ello, se han desarrollado técnicas de fabricación más avanzadas, como la fabricación por deposición de formas (SDM), el proceso de microestructura compuesta inteligente (SCM) y la impresión 3D de múltiples materiales. [2] [11]
El SDM es un tipo de prototipado rápido en el que la deposición y el mecanizado se producen de forma cíclica. Básicamente, se deposita un material, se mecaniza, se incrusta una estructura deseada, se deposita un soporte para dicha estructura y, a continuación, se mecaniza aún más el producto hasta obtener una forma final que incluye el material depositado y la pieza incrustada. [11] El hardware integrado incluye circuitos, sensores y actuadores, y los científicos han incorporado con éxito controles dentro de materiales poliméricos para crear robots blandos, como el Stickybot [12] y el iSprawl. [13]
El SCM es un proceso mediante el cual se combinan cuerpos rígidos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) con ligamentos de polímero flexibles. El polímero flexible actúa como uniones para el esqueleto. Con este proceso, se crea una estructura integrada de los ligamentos de polímero y CFRP mediante el uso de mecanizado láser seguido de laminación. Este proceso SCM se utiliza en la producción de robots a mesoescala, ya que los conectores de polímero sirven como alternativas de baja fricción a las uniones con pasadores. [11]
Los procesos de fabricación aditiva, como la impresión 3D, se pueden utilizar ahora para imprimir una amplia gama de tintas de silicona utilizando técnicas como la escritura directa con tinta (DIW, también conocida como Robocasting ). [14] Esta ruta de fabricación permite una producción perfecta de actuadores de elastómero fluídico con propiedades mecánicas definidas localmente. Además, permite una fabricación digital de actuadores neumáticos de silicona que exhiben arquitecturas y movimientos bioinspirados programables. [15]
Se ha impreso una amplia gama de robots blandos completamente funcionales utilizando este método, que incluyen movimientos de flexión, torsión, agarre y contracción. Esta técnica evita algunos de los inconvenientes de las rutas de fabricación convencionales, como la delaminación entre piezas pegadas. Otro método de fabricación aditiva que produce materiales que cambian de forma cuya forma es fotosensible, se activa térmicamente o responde al agua. Esencialmente, estos polímeros pueden cambiar de forma automáticamente al interactuar con el agua, la luz o el calor. Un ejemplo de un material que cambia de forma se creó mediante el uso de impresión por inyección de tinta reactiva a la luz sobre un objetivo de poliestireno. [16]
Todos los robots blandos requieren un sistema de actuación para generar fuerzas de reacción, que les permita moverse e interactuar con su entorno. Debido a la naturaleza flexible de estos robots, los sistemas de actuación blanda deben poder moverse sin el uso de materiales rígidos que actuarían como los huesos de los organismos o el marco de metal que es común en los robots rígidos. Para la actuación que implica flexión, se debe crear algún tipo de diferencia de tensión a lo largo del componente, de modo que el sistema tenga una tendencia a doblarse hacia una determinada forma para aliviar dicha tensión. Sin embargo, existen varias soluciones de control para el problema de la actuación blanda que han encontrado su uso, cada una con sus ventajas y desventajas. A continuación se enumeran algunos ejemplos de métodos de control y los materiales adecuados.
Actuadores de elastómero dieléctrico (DEA) que utilizan un campo eléctrico de alto voltaje para cambiar su forma (ejemplo de DEA en funcionamiento). Estos actuadores pueden producir fuerzas elevadas, tienen una potencia específica alta (W kg −1 ), producen grandes deformaciones (>1000 %), [17] poseen una densidad de energía alta (>3 MJ m −3 ), [18] exhiben autodetección y logran velocidades de actuación rápidas (10 ms - 1 s). Sin embargo, la necesidad de altos voltajes se convierte rápidamente en el factor limitante en las posibles aplicaciones prácticas. Además, estos sistemas a menudo presentan corrientes de fuga, tienden a tener averías eléctricas (la falla dieléctrica sigue las estadísticas de Weibull, por lo tanto, la probabilidad aumenta con el aumento del área del electrodo [19] ) y requieren una predeformación para la mayor deformación. [20] Algunas de las nuevas investigaciones muestran que hay formas de superar algunas de estas desventajas, como se muestra, por ejemplo, en los actuadores Peano-HASEL, que incorporan dieléctricos líquidos y componentes de carcasa delgada. Este enfoque reduce el voltaje aplicado necesario y permite la autocuración durante una falla eléctrica. [21] [22]
Térmico
Los polímeros con memoria de forma (SMP) son materiales inteligentes y reconfigurables que sirven como un excelente ejemplo de actuadores térmicos que pueden usarse para la actuación. Estos materiales "recordarán" su forma original y volverán a ella cuando aumente la temperatura. Por ejemplo, los polímeros reticulados pueden tensarse a temperaturas superiores a su transición vítrea (T g ) o transición de fusión (T m ) y luego enfriarse. Cuando la temperatura aumenta nuevamente, la tensión se liberará y la forma de los materiales volverá a la original. [23] Esto, por supuesto, sugiere que solo hay un movimiento irreversible, pero se ha demostrado que los materiales tienen hasta 5 formas temporales. [24] Uno de los ejemplos más simples y conocidos de polímeros con memoria de forma es un juguete llamado Shrinky Dinks que está hecho de una lámina de poliestireno (PS) preestirada que se puede usar para cortar formas que se encogerán significativamente cuando se calienten. Los actuadores producidos con estos materiales pueden alcanzar tensiones de hasta 1000% [25] y han demostrado un amplio rango de densidad de energía entre <50 kJ m −3 y hasta 2 MJ m −3 . [26] Las desventajas definitivas de los SMP incluyen su respuesta lenta (>10 s) y la fuerza típicamente baja generada. [20] Los ejemplos de SMP incluyen poliuretano (PU), tereftalato de polietileno (PET), óxido de polietileno (PEO) y otros.
Las aleaciones con memoria de forma son la base de otro sistema de control para la actuación robótica suave. [27] Aunque están hechos de metal, un material tradicionalmente rígido, los resortes están hechos de alambres muy finos y son tan flexibles como otros materiales blandos. Estos resortes tienen una relación fuerza-masa muy alta, pero se estiran mediante la aplicación de calor, lo que es ineficiente en términos de energía. [28]
Diferencia de presión
Los músculos artificiales neumáticos , otro método de control utilizado en robots blandos, se basan en cambiar la presión dentro de un tubo flexible. De esta manera, actuará como un músculo, contrayéndose y extendiéndose, aplicando así fuerza a lo que está unido. Mediante el uso de válvulas, el robot puede mantener una forma determinada utilizando estos músculos sin entrada de energía adicional. Sin embargo, este método generalmente requiere una fuente externa de aire comprimido para funcionar. El controlador proporcional integral derivativo (PID) es el algoritmo más utilizado para los músculos neumáticos. La respuesta dinámica de los músculos neumáticos se puede modular ajustando los parámetros del controlador PID. [29]
Sensores
Los sensores son uno de los componentes más importantes de los robots. No es de extrañar que los robots blandos utilicen sensores blandos, que suelen medir la deformación y, por lo tanto, permiten inferir la posición o la rigidez del robot.
A continuación se muestran algunos ejemplos de sensores blandos:
Los robots blandos se pueden implementar en la profesión médica, específicamente para cirugías invasivas . Los robots blandos se pueden hacer para ayudar en las cirugías debido a sus propiedades de cambio de forma. El cambio de forma es importante ya que un robot blando podría navegar alrededor de diferentes estructuras en el cuerpo humano ajustando su forma. Esto podría lograrse mediante el uso de actuación fluídica. [43]
Exotrajes
Los robots blandos también pueden utilizarse para la creación de exoesqueletos flexibles, para la rehabilitación de pacientes, para ayudar a los ancianos o simplemente para mejorar la fuerza del usuario. Un equipo de Harvard creó un exoesqueleto utilizando estos materiales para ofrecer las ventajas de la fuerza adicional que proporciona un exoesqueleto, sin las desventajas que conlleva la forma en que los materiales rígidos restringen el movimiento natural de una persona. Los exoesqueletos son estructuras metálicas equipadas con músculos motorizados para multiplicar la fuerza del usuario. También llamados exoesqueletos, la estructura metálica de los trajes robóticos refleja en cierta medida la estructura esquelética interna del usuario.
El traje hace que los objetos levantados se sientan mucho más livianos, y a veces incluso ingrávidos, lo que reduce las lesiones y mejora la capacidad de adaptación. [44]
Robots colaborativos
Tradicionalmente, los robots de fabricación se han aislado de los trabajadores humanos por cuestiones de seguridad, ya que un robot rígido que colisiona con un humano podría provocar fácilmente lesiones debido al rápido movimiento del robot. Sin embargo, los robots blandos podrían trabajar junto a los humanos de forma segura, ya que en caso de colisión, la naturaleza dócil del robot evitaría o minimizaría cualquier posible lesión.
Biomimetismo
Una aplicación de la biomimética a través de la robótica blanda es la exploración oceánica o espacial. En la búsqueda de vida extraterrestre, los científicos necesitan saber más sobre los cuerpos de agua extraterrestres, ya que el agua es la fuente de vida en la Tierra. Los robots blandos podrían usarse para imitar criaturas marinas que pueden maniobrar eficientemente a través del agua. Un equipo de Cornell intentó un proyecto de este tipo en 2015 gracias a una subvención del programa Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA . [45] El equipo se propuso diseñar un robot blando que imitara a una lamprea o una sepia en la forma en que se mueve bajo el agua, con el fin de explorar eficientemente el océano debajo de la capa de hielo de la luna de Júpiter, Europa. Pero explorar un cuerpo de agua, especialmente uno en otro planeta, conlleva un conjunto único de desafíos mecánicos y materiales. En 2021, los científicos demostraron un robot blando autopropulsado bioinspirado para operaciones en aguas profundas que puede soportar la presión en la parte más profunda del océano en la Fosa de las Marianas . El robot cuenta con músculos y alas artificiales hechos de materiales flexibles y componentes electrónicos distribuidos dentro de su cuerpo de silicona. Podría usarse para la exploración de aguas profundas y el monitoreo ambiental . [46] [47] [48] En 2021, un equipo de la Universidad de Duke informó sobre un robot blando con forma de libélula, llamado DraBot, con capacidades para observar cambios de acidez, fluctuaciones de temperatura y contaminantes de petróleo en el agua. [49] [50] [51]
Encubierto
Los robots blandos que parecen animales o que son difíciles de identificar podrían utilizarse para vigilancia y otros fines. [52] También podrían utilizarse para estudios ecológicos, como en la vida silvestre. [53] Los robots blandos también podrían permitir un nuevo camuflaje artificial. [54]
Componentes del robot
Músculo artificial
Los músculos artificiales , también conocidos como actuadores similares a músculos , son materiales o dispositivos que imitan el músculo natural y pueden cambiar su rigidez, contraerse reversiblemente, expandirse o rotar dentro de un componente debido a un estímulo externo (como voltaje, corriente, presión o temperatura). [55] Las tres respuestas de actuación básicas (contracción, expansión y rotación) se pueden combinar dentro de un solo componente para producir otros tipos de movimientos (por ejemplo, flexión, contrayendo un lado del material mientras se expande el otro lado). Los motores convencionales y los actuadores neumáticos lineales o rotativos no califican como músculos artificiales, porque hay más de un componente involucrado en la actuación.
Debido a su alta flexibilidad, versatilidad y relación potencia-peso en comparación con los actuadores rígidos tradicionales, los músculos artificiales tienen el potencial de ser una tecnología emergente altamente disruptiva . Aunque actualmente se usa de manera limitada, la tecnología puede tener amplias aplicaciones futuras en la industria, la medicina, la robótica y muchos otros campos. [56] [57] [58]
Piel de robot con percepción táctil
Ejemplos del estado actual de progreso en el campo de las pieles de robots a mediados de 2022 son un dedo robótico cubierto con un tipo de piel humana viva fabricada, [59] [60] una piel electrónica que brinda sensaciones hápticas similares a las de la piel biológica y sensibilidad al tacto/dolor a una mano robótica, [61] [62] un sistema de una piel electrónica y una interfaz hombre-máquina que puede permitir la percepción táctil mediante detección remota y la detección portátil o robótica de muchas sustancias peligrosas y patógenos , [63] [64] y una piel de robot basada en hidrogel con sensor táctil multicapa . [65] [66]
Piel electrónica
La piel electrónica se refiere a dispositivos electrónicos flexibles , estirables y autocurativos que pueden imitar las funcionalidades de la piel humana o animal. [67] [68] La amplia clase de materiales a menudo contiene capacidades de detección que tienen como objetivo reproducir las capacidades de la piel humana para responder a factores ambientales como los cambios de calor y presión. [67] [68] [69] [70]
Los avances en la investigación de la piel electrónica se centran en el diseño de materiales que sean elásticos, robustos y flexibles. La investigación en los campos individuales de la electrónica flexible y la detección táctil ha avanzado mucho; sin embargo, el diseño de la piel electrónica intenta reunir los avances en muchas áreas de la investigación de materiales sin sacrificar los beneficios individuales de cada campo. [71] La combinación exitosa de propiedades mecánicas flexibles y elásticas con sensores y la capacidad de autocuración abriría la puerta a muchas aplicaciones posibles, incluida la robótica blanda, las prótesis, la inteligencia artificial y el control de la salud. [67] [71] [72] [73]
Los últimos avances en el campo de la piel electrónica se han centrado en la incorporación de los ideales de los materiales ecológicos y la conciencia medioambiental en el proceso de diseño. Como uno de los principales retos a los que se enfrenta el desarrollo de la piel electrónica es la capacidad del material para soportar la tensión mecánica y mantener la capacidad de detección o las propiedades electrónicas, la reciclabilidad y las propiedades de autocuración son especialmente críticas en el diseño futuro de nuevas pieles electrónicas. [74]
Beneficios cualitativos
Las ventajas de los diseños de robots blandos sobre los diseños de robots totalmente convencionales pueden ser un peso más ligero (las cargas pesadas son costosas de lanzar) y una mayor seguridad (los robots pueden trabajar junto a los astronautas). [75]
Consideraciones mecánicas en el diseño
Falla por fatiga por flexión
Los robots blandos, en particular aquellos diseñados para imitar la vida, a menudo deben experimentar cargas cíclicas para poder moverse o realizar las tareas para las que fueron diseñados. Por ejemplo, en el caso del robot parecido a una lamprea o una sepia descrito anteriormente, el movimiento requeriría electrolizar agua y encender gas, lo que provocaría una rápida expansión para impulsar al robot hacia adelante. [45] Esta expansión y contracción repetitiva y explosiva crearía un entorno de intensa carga cíclica en el material polimérico elegido. Un robot en una ubicación submarina remota o en un cuerpo planetario remoto como Europa sería prácticamente imposible de reparar o reemplazar, por lo que se debería tener cuidado para elegir un material y un diseño que minimice la iniciación y propagación de grietas por fatiga. En particular, se debería elegir un material con un límite de fatiga o una frecuencia de amplitud de tensión por encima de la cual la respuesta a la fatiga del polímero ya no dependa de la frecuencia. [76]
Falla frágil cuando está frío
En segundo lugar, debido a que los robots blandos están hechos de materiales altamente flexibles, se deben considerar los efectos de la temperatura. La tensión de fluencia de un material tiende a disminuir con la temperatura, y en los materiales poliméricos este efecto es aún más extremo. [76] A temperatura ambiente y temperaturas más altas, las cadenas largas de muchos polímeros pueden estirarse y deslizarse unas sobre otras, evitando la concentración local de tensión en un área y haciendo que el material sea dúctil. [77] Pero la mayoría de los polímeros experimentan una temperatura de transición de dúctil a frágil [78] por debajo de la cual no hay suficiente energía térmica para que las cadenas largas respondan de esa manera dúctil, y la fractura es mucho más probable. De hecho, se cree que la tendencia de los materiales poliméricos a volverse frágiles a temperaturas más frías es responsable del desastre del transbordador espacial Challenger , y debe tomarse muy en serio, especialmente para los robots blandos que se implementarán en medicina. Una temperatura de transición de dúctil a frágil no necesariamente debe ser lo que uno podría considerar "fría", y de hecho es característica del material mismo, dependiendo de su cristalinidad, tenacidad, tamaño del grupo lateral (en el caso de los polímeros) y otros factores. [78]
Revistas internacionales
Robótica blanda (SoRo)
Sección de Robótica blanda de Frontiers in Robotics and AI
Robótica científica
Eventos internacionales
Robosoft 2018, primera conferencia internacional IEEE sobre robótica blanda, del 24 al 28 de abril de 2018, Livorno, Italia
Taller IROS 2017 sobre diseño morfológico suave para sensación háptica, interacción y visualización, 24 de septiembre de 2017, Vancouver, BC, Canadá
Primer Soft Robotics Challenge 2016, 29 y 30 de abril, Livorno, Italia
Semana de la Robótica Suave 2016, del 25 al 30 de abril, Livorno, Italia
2015 "Robótica blanda: actuación, integración y aplicaciones: combinación de perspectivas de investigación para un avance en la tecnología de robótica blanda" en ICRA2015, Seattle WA
Taller de 2014 sobre avances en robótica blanda, Conferencia de ciencia y sistemas robóticos (RSS) de 2014, Berkeley, California, 13 de julio de 2014
Taller internacional sobre robótica blanda y computación morfológica 2013, Monte Verità, del 14 al 19 de julio de 2013
Escuela de verano sobre robótica blanda 2012, Zúrich, del 18 al 22 de junio de 2012
En la cultura popular
La película de Disney de 2014 Big Hero 6 presenta un robot blando, Baymax , diseñado originalmente para su uso en la industria de la salud . En la película, Baymax es retratado como un robot grande pero nada intimidante con un exterior de vinilo inflado que rodea un esqueleto mecánico. La base del concepto de Baymax proviene de una investigación de la vida real sobre aplicaciones de la robótica blanda en el campo de la salud, como el trabajo del roboticista Chris Atkeson en el Instituto de Robótica de Carnegie Mellon . [80]
La película animada de Sony de 2018 Spider-Man: Into the Spider-Verse presenta una versión femenina del supervillano Doctor Octopus que usa tentáculos construidos con robótica suave para someter a sus enemigos.
En el episodio 4 de la serie animada Helluva Boss , el inventor Loopty Goopty usa tentáculos con robótica suave con varias armas en las puntas para amenazar a los miembros del IMP para que asesinen a su amigo, Lyle Lipton.
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