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
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:
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]
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.
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 elevada (W kg −1 ), producen grandes tensiones (>1000 %), [15] poseen una alta densidad de energía (>3 MJ m −3 ), [16] exhiben autodetección y lograr 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 fallas eléctricas (la falla dieléctrica sigue las estadísticas de Weibull, por lo tanto, la probabilidad aumenta con el aumento del área del electrodo [17] ) y requieren una deformación previa para la mayor deformación. [18] 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 autorreparación durante una falla eléctrica. [19] [20]
Térmico
Los polímeros con memoria de forma (SMP) son materiales inteligentes y reconfigurables que sirven como un excelente ejemplo de actuadores térmicos que se pueden utilizar para el accionamiento. Estos materiales "recordarán" su forma original y volverán a ella al aumentar la temperatura. Por ejemplo, los polímeros reticulados pueden colarse a temperaturas superiores a su transición vítrea (Tg ) o transición de fusión (Tm ) y luego enfriarse. Cuando la temperatura aumenta nuevamente, la tensión se liberará y la forma del material volverá a ser la original. [21] Esto, por supuesto, sugiere que solo hay un movimiento irreversible, pero se ha demostrado que los materiales tienen hasta 5 formas temporales. [22] 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 utilizar para recortar formas que se encogerán significativamente cuando se calienten. Los actuadores producidos con estos materiales pueden alcanzar deformaciones de hasta el 1000% [23] y han demostrado un amplio rango de densidad de energía entre <50 kJ m -3 y hasta 2 MJ m -3 . [24] Las desventajas definitivas de los SMP incluyen su respuesta lenta (>10 s) y su baja fuerza generada. [18] Ejemplos de SMP incluyen poliuretano (PU), tereftalato de polietileno (PET), óxido de polietileno (PEO) y otros.
Las aleaciones con memoria de forma están detrás de otro sistema de control para el accionamiento robótico suave. [25] Aunque están hechos de metal, un material tradicionalmente rígido, los resortes están hechos de alambres muy delgados 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 energéticos. [26]
Diferencia de presión
Los músculos artificiales neumáticos , otro método de control utilizado en robots blandos, se basa en cambiar la presión dentro de un tubo flexible. De esta manera actuará como un músculo, contrayéndose y extendiéndose, aplicando así fuerza a aquello a lo que está adherido. Mediante el uso de válvulas, el robot puede mantener una forma determinada utilizando estos músculos sin ningún aporte 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. [27]
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:
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
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
Robótica blanda (SoRo)
Sección Soft Robotics de Fronteras en Robótica e IA
Robótica científica
Eventos internacionales
2018 Robosoft, primera conferencia internacional IEEE sobre robótica blanda, 24 al 28 de abril de 2018, Livorno, Italia
2017 Taller IROS 2017 sobre diseño morfológico suave para sensación, interacción y visualización hápticas, 24 de septiembre de 2017, Vancouver, BC, Canadá
2016 Primer desafío de robótica blanda, 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 salto adelante en la tecnología de robótica blanda" en ICRA2015, Seattle WA
Taller de 2014 sobre avances en robótica blanda, Conferencia de sistemas y ciencia robótica (RSS) de 2014, Berkeley, CA, 13 de julio de 2014
2013 Taller internacional sobre robótica blanda y computación morfológica, Monte Verità, 14 al 19 de julio de 2013
Escuela de verano de 2012 sobre robótica blanda, Zúrich, 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 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.
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