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Robótica blanda

Robot de ruedas con patas blandas y capacidad de locomoción terrestre

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 con metales, cerámica y plásticos duros, la conformidad de los robots blandos puede mejorar su seguridad cuando trabajan en estrecho contacto con humanos. [2]

Tipos y diseños

Modelo impreso en 3D parecido a un pulpo

El objetivo de la robótica blanda es el diseño y construcción de robots con cuerpos y electrónica físicamente flexibles. A veces la suavidad se limita a una parte de la 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. La mayoría de los robots móviles de cuerpo rígido también emplean estratégicamente componentes blandos, como almohadillas para los pies para absorber impactos o articulaciones elásticas para almacenar/liberar energía elástica. Sin embargo, el campo de la robótica blanda generalmente se inclina hacia máquinas que son predominante o totalmente blandas. Los robots con cuerpos totalmente blandos tienen un potencial enorme. Por un lado, su flexibilidad les permite meterse en lugares donde los cuerpos rígidos no pueden, lo que podría resultar útil en escenarios de socorro en casos de desastre. Los robots blandos también son más seguros para la interacción humana y para su despliegue interno dentro de un cuerpo humano.

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 por componentes blandos y parecen explotar su suavidad para un movimiento eficiente en entornos complejos en casi todas partes de la Tierra. [3] Por lo tanto, los robots blandos a menudo están diseñados para parecerse a criaturas familiares, especialmente organismos enteramente blandos como los pulpos. Sin embargo, es extremadamente difícil diseñar y controlar manualmente robots blandos dada su baja impedancia mecánica. Precisamente lo 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 logran extenderse a los robots blandos. Por lo tanto, los robots blandos comúnmente se diseñan 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 simultáneamente y automáticamente para una tarea determinada. [4]

Biomimetismo

Las células vegetales pueden producir inherentemente presión hidrostática debido a un gradiente de concentración de soluto entre el citoplasma y el entorno externo (potencial osmótico). Además, las plantas pueden ajustar esta concentración mediante el 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 puede emularse para crear materiales que se adapten a la presión mediante el uso de flujo de fluido . [5] La siguiente ecuación [6] modela la tasa de cambio de volumen celular:

es la tasa de cambio de volumen.
es el área de la membrana celular.
es la conductividad hidráulica del material.
es el cambio en la presión hidrostática.
es el cambio en el potencial osmótico .

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 líquido 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 cambios de forma y volumen. [5]

Otro mecanismo de cambio de forma biológicamente inherente es el cambio de forma higroscópico. En este mecanismo, las células vegetales reaccionan a los cambios de humedad. Cuando la atmósfera circundante tiene mucha humedad, las células vegetales se hinchan, pero cuando la atmósfera circundante tiene poca humedad, las células vegetales se encogen. Este cambio de volumen se ha observado en los granos de polen [7] y en las escamas de las piñas. [5] [8]

También se pueden derivar enfoques similares para las articulaciones blandas hidráulicas de la locomoción arácnida , donde el control fuerte y preciso sobre una articulación se puede controlar principalmente a través de hemolinfa comprimida.

Fabricación

Las técnicas de fabricación convencionales, como las técnicas sustractivas como el taladrado y el fresado, no son útiles cuando se trata de construir robots blandos, ya que estos robots tienen formas complejas con cuerpos deformables. Por ello, se han desarrollado técnicas de fabricación más avanzadas. Entre ellos se incluyen la fabricación por deposición de formas (SDM), el proceso de microestructura compuesta inteligente (SCM) y la impresión multimaterial 3D. [2] [9]

SDM es un tipo de creación rápida de prototipos mediante el cual la deposición y el mecanizado se producen de forma cíclica. Esencialmente, se deposita un material, se mecaniza, se incrusta una estructura deseada, se deposita un soporte para dicha estructura y luego se mecaniza el producto hasta obtener una forma final que incluye el material depositado y la parte incrustada. [9] El hardware integrado incluye circuitos, sensores y actuadores, y los científicos han integrado con éxito controles dentro de materiales poliméricos para crear robots blandos, como el Stickybot [10] y el iSprawl. [11]

SCM es un proceso mediante el cual se combinan cuerpos rígidos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) con ligamentos de polímero flexible. El polímero flexible actúa como articulación del esqueleto. Con este proceso, se crea una estructura integrada de CFRP y ligamentos de polímero mediante el uso de mecanizado láser seguido de laminación. Este proceso SCM se utiliza en la producción de robots de mesoescala, ya que los conectores de polímero sirven como alternativas de baja fricción a las uniones de pasadores. [9]

Los procesos de fabricación aditiva, como la impresión 3D, ahora se pueden utilizar para imprimir una amplia gama de tintas de silicona utilizando técnicas como la escritura directa con tinta (DIW, también conocida como Robocasting ). [12] Esta ruta de fabricación permite una producción perfecta de actuadores de elastómero fluídico con propiedades mecánicas definidas localmente. Además, permite la fabricación digital de actuadores neumáticos de silicona que exhiben arquitecturas y movimientos programables bioinspirados. [13] Se ha impreso una amplia gama de robots blandos completamente funcionales utilizando este método, que incluye 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. Básicamente, estos polímeros pueden cambiar de forma automáticamente al interactuar con el agua, la luz o el calor. Un ejemplo de material que cambia de forma se creó mediante el uso de impresión por chorro de tinta reactiva a la luz sobre un objetivo de poliestireno. [14]

Además, se han creado rápidamente prototipos de polímeros con memoria de forma que comprenden dos componentes diferentes: un esqueleto y un material de bisagra. Tras la impresión, el material se calienta a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea del material de la bisagra. Esto permite la deformación del material de la bisagra, sin afectar el material del esqueleto. Además, este polímero puede reformarse continuamente mediante calentamiento. [14]

Métodos y materiales de control.

Todos los robots blandos requieren un sistema de actuación para generar fuerzas de reacción, que permitan el movimiento y la interacción con su entorno. Debido a la naturaleza dócil de estos robots, los sistemas de actuación blandos deben poder moverse sin el uso de materiales rígidos que actuarían como huesos en organismos, o la estructura metálica que es común en los robots rígidos. Sin embargo, existen varias soluciones de control para el problema de la actuación suave y han encontrado su uso, cada una de las cuales posee ventajas y desventajas. A continuación se enumeran algunos ejemplos de métodos de control y los materiales apropiados.

Campo eléctrico

Un ejemplo es la utilización de fuerza electrostática que se puede aplicar en:

Térmico

Diferencia de presión

Sensores

Los sensores son uno de los componentes más importantes de los robots. Sin sorpresa, lo ideal es que los robots blandos utilicen sensores blandos. Los sensores blandos normalmente pueden medir la deformación, infiriendo así sobre la posición o la rigidez del robot.

A continuación se muestran algunos ejemplos de sensores blandos:

Estos sensores se basan en medidas de:

Estas mediciones pueden luego introducirse en un sistema de control .

Usos y aplicaciones

Asistencia quirúrgica

Los robots blandos se pueden implementar en la profesión médica, específicamente para cirugía invasiva . Se pueden fabricar robots blandos 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 del cuerpo humano ajustando su forma. Esto podría lograrse mediante el uso de accionamiento fluídico. [41]

Exotrajes

Los robots blandos también se pueden utilizar para la creación de exotrajes flexibles, para la rehabilitación de pacientes, para ayudar a las personas mayores o simplemente para mejorar la fuerza del usuario. Un equipo de Harvard creó un exotraje utilizando estos materiales para brindar las ventajas de la resistencia adicional que proporciona un exotraje, sin las desventajas que conlleva el hecho de que los materiales rígidos restringen el movimiento natural de una persona. Los exotrajes son estructuras metálicas provistas de músculos motorizados para multiplicar la fuerza del usuario. También llamados exoesqueletos, la estructura metálica de los trajes robóticos refleja en cierto modo 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 el cumplimiento. [42]

Robots colaborativos

Tradicionalmente, los robots de fabricación han estado aislados de los trabajadores humanos debido a preocupaciones de seguridad, ya que un robot rígido que choca con un humano fácilmente podría provocar lesiones debido al rápido movimiento del robot. Sin embargo, los robots blandos podrían trabajar junto a los humanos de forma segura, ya que en una colisión la naturaleza dócil del robot evitaría o minimizaría cualquier lesión potencial.

Biomimetismo

Un vídeo que muestra los robots blandos de aguas profundas parcialmente autónomos

Una aplicación del biomimetismo 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. Se podrían utilizar robots blandos para imitar criaturas marinas que puedan maniobrar eficientemente a través del agua. Un equipo de Cornell intentó un proyecto de este tipo en 2015 con una subvención a través de Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA . [43] El equipo se propuso diseñar un robot blando que imitaría una lamprea o una sepia en la forma en que se movía bajo el agua, para explorar eficientemente el océano debajo de la capa de hielo de la luna de Júpiter, Europa. Pero explorar una masa de agua, especialmente una 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 presenta músculos y alas artificiales hechos de materiales flexibles y componentes electrónicos distribuidos dentro de su cuerpo de silicona. Podría utilizarse para la exploración de aguas profundas y el seguimiento medioambiental . [44] [45] [46] En 2021, un equipo de la Universidad de Duke informó sobre un robot blando con forma de libélula, denominado DraBot, con capacidades para observar cambios de acidez, fluctuaciones de temperatura y contaminantes de petróleo en el agua. [47] [48] [49]

Encubierto

Los robots blandos que parecen animales o que son difíciles de identificar podrían usarse para vigilancia y una variedad de otros propósitos. [50] También podrían usarse para estudios ecológicos, como en medio de la vida silvestre. [51] Los robots blandos también podrían permitir un nuevo camuflaje artificial. [52]

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, expandirse o rotar de manera reversible dentro de un componente debido a un estímulo externo (como voltaje, corriente, presión o temperatura). ). [53] 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 su uso es limitado, la tecnología puede tener amplias aplicaciones futuras en la industria, la medicina, la robótica y muchos otros campos. [54] [55] [56]

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 por un tipo de piel humana viva fabricada, [57] [58] una piel electrónica que proporciona sensaciones hápticas y táctiles biológicas similares a las de la piel . /sensibilidad al dolor de una mano robótica, [59] [60] un sistema de piel electrónica y una interfaz hombre-máquina que puede permitir la percepción táctil por detección remota y la detección portátil o robótica de muchas sustancias peligrosas y patógenos , [61] [62] y una piel de robot basada en hidrogel con sensor táctil multicapa . [63] [64]
piel electronica

La piel electrónica se refiere a dispositivos electrónicos flexibles , estirables y autorreparables que pueden imitar las funcionalidades de la piel humana o animal. [65] [66] La amplia clase de materiales a menudo contiene capacidades de detección que están destinadas a reproducir las capacidades de la piel humana para responder a factores ambientales como cambios de calor y presión. [65] [66] [67] [68]

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 distintos campos de la electrónica flexible y la detección táctil ha progresado mucho; sin embargo, el diseño de pieles electrónicas intenta reunir avances en muchas áreas de la investigación de materiales sin sacrificar los beneficios individuales de cada campo. [69] La combinación exitosa de propiedades mecánicas flexibles y estirables con sensores y la capacidad de autocuración abriría la puerta a muchas aplicaciones posibles, incluida la robótica blanda, prótesis, inteligencia artificial y monitoreo de la salud. [65] [69] [70] [71]

Los avances recientes en el campo de la piel electrónica se han centrado en incorporar ideales de materiales ecológicos y conciencia ambiental en el proceso de diseño. Como uno de los principales desafíos que enfrenta el desarrollo de cubiertas electrónicas es la capacidad del material para resistir 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 cubiertas electrónicas. [72]

Beneficios cualitativos

Los beneficios de los diseños de robots blandos sobre los diseños de robots totalmente convencionales pueden ser un peso más ligero (las cargas útiles pesadas son costosas de lanzar) y una mayor seguridad (los robots pueden trabajar junto a los astronautas). [73]

Consideraciones mecánicas en el diseño.

Fallo por fatiga por flexión

Los robots blandos, en particular los 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. [43] Esta expansión y contracción repetitiva y explosiva crearía un entorno de intensa carga cíclica en el material polimérico elegido. Sería prácticamente imposible reparar o reemplazar un robot en una ubicación submarina remota o en un cuerpo planetario remoto como Europa, por lo que habría que tener cuidado al elegir un material y un diseño que minimicen la iniciación y propagación de grietas por fatiga. En particular, se debe elegir un material con un límite de fatiga , o una frecuencia de amplitud de tensión por encima de la cual la respuesta de fatiga del polímero ya no depende de la frecuencia. [74]

Fracaso frágil cuando hace frío.

En segundo lugar, debido a que los robots blandos están hechos de materiales altamente flexibles, se deben considerar los efectos de la temperatura. El límite elástico de un material tiende a disminuir con la temperatura, y en los materiales poliméricos este efecto es aún más extremo. [74] A temperatura ambiente y temperaturas más altas, las largas cadenas 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. [75] Pero la mayoría de los polímeros experimentan una temperatura de transición de dúctil a frágil [76] 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 quebradizos a temperaturas más frías es responsable del desastre del transbordador espacial Challenger y debe tomarse muy en serio, especialmente en el caso de los robots blandos que se implementarán en medicina. Una temperatura de transición de dúctil a frágil no tiene por qué ser lo que se podría considerar "fría" y, de hecho, es característica del material en sí, dependiendo de su cristalinidad, tenacidad, tamaño de los grupos laterales (en el caso de los polímeros) y otros factores. factores. [76]

Revistas internacionales

Eventos internacionales

En la cultura popular

El robot de Chris Atkeson que inspiró la creación de Baymax [77]

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 Baymax proviene de investigaciones de la vida real sobre aplicaciones de la robótica blanda en el campo de la salud, como el trabajo del robotista Chris Atkeson en el Instituto de Robótica de Carnegie Mellon . [78]

La película animada de Sony de 2018 Spider-Man: Into the Spider-Verse presenta una versión femenina del supervillano Doctor Octopus que utiliza 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 la punta para amenazar a los miembros del IMP para que asesinen a su amigo, Lyle Lipton.

Ver también

enlaces externos

Referencias

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