Las sociedades modernas confían en la tecnología robótica para realizar una amplia gama de funciones vitales para el buen funcionamiento de los sistemas de fabricación industrial. así como a otros sectores como la construcción, salud y transporte.

Sin embargo, una limitación clave de la mayoría de los robots es el hecho de que solo pueden realizar una tarea repetitiva, como recoger un artículo de un contenedor y colocarlo en una cinta transportadora o perforar orificios de acuerdo con un patrón preestablecido.

En reconocimiento de esta limitación, Los investigadores en el campo emergente de la robótica adaptativa están centrando su atención en cómo los robots pueden hacerse más adaptables y utilizan los principios de la ingeniería mecánica para crear dispositivos de vanguardia capaces de reconfigurarse para llevar a cabo una serie de funciones diferentes. Por ejemplo, un dron multipropósito utilizado para inspeccionar infraestructura energética como plataformas petrolíferas marinas o turbinas eólicas podría estar equipado con tecnología de agarre que le permita posarse en estructuras y realizar análisis más de cerca con vientos fuertes, así como capacidades de impermeabilización y tecnología de propulsión que le permitan realizar inspecciones de cimientos debajo de la superficie del océano.

Entonces, ¿qué tecnologías y técnicas de ingeniería mecánica se están utilizando como parte de este trabajo? ¿Cuáles son las principales aplicaciones actuales y potenciales de la robótica adaptativa? ¿Y qué innovaciones y tendencias en el uso de sistemas de ingeniería mecánica para tecnologías de robótica adaptativa podemos esperar en los próximos años?

Reconfiguración

Una de las iniciativas recientes más interesantes en esta área es la de la Universidad Estatal de Colorado (CSU), donde un equipo de investigadores ha creado una serie de pequeños Robots ligeros que son capaces de reconfigurarse a sí mismos en respuesta a los diferentes requisitos de los usuarios. Como líder del proyecto, el Dr. Jianguo Zhao, profesor asistente en el Laboratorio de Robótica Adaptativa en CSU, explica, Su trabajo en esta área se divide en tres categorías principales dependiendo de las fuerzas de actuación empleadas.

La primera es la reconfiguración mediante músculos artificiales, que implica una investigación de cómo aprovechar un músculo artificial de bajo costo hecho con hilos de coser domésticos para transformar la forma de un robot dado. Esto ha resultado en la creación de un vínculo que puede moverse y sostenerse a otra forma sin un aporte adicional de energía.

La segunda categoría de trabajo explora cómo aprovechar materiales con rigidez variable para reconfigurar las funciones de un robot dado, como parte del cual, Doctor. El estudiante Jiefeng Sun ha construido un robot caminante adaptable que puede lograr múltiples trayectorias de piernas.

La tercera categoría investiga cómo se pueden utilizar nuevos mecanismos pasivos para permitir que los robots voladores se posen en las paredes. líneas eléctricas o techos, como parte de los cuales, Doctor. La estudiante Haijie Zhang ha desarrollado un robot equipado con una pinza pasiva y compatible.

Para habilitar tales robots adaptativos, Zhao revela que ha adoptado una gama de tecnologías de ingeniería mecánica de vanguardia, incluido el diseño del mecanismo y la máquina, diseño asistido por ordenador, fabricación aditiva (impresión 3-D), modelado de cinemática y dinámica, análisis de elementos finitos y mecatrónica. Un ejemplo es un robot andante en miniatura, que el equipo ha creado utilizando impresión 3D multimaterial, una tecnología capaz de imprimir materiales tanto blandos como rígidos en una sola pieza.

"En este robot, hemos utilizado el material blando para que sirva como juntas rotativas compatibles y el material rígido para servir como eslabones. En este caso, podemos imprimir el cuerpo y las cuatro patas del robot como una sola pieza sin ensamblaje, " él dice.

"Es más, para analizar el comportamiento de dicho robot, establecimos los modelos cinemáticos y dinámicos para predecir las trayectorias de las piernas y los comparamos con los resultados experimentales. Finalmente, utilizamos un sistema integrado con microcontroladores y comunicaciones inalámbricas para controlar el robot ".

En opinión de Zhao, Los pequeños robots de este tipo tienen muchas ventajas en comparación con los robots más grandes y pesados. Por ejemplo, pueden acceder y navegar en entornos estrechos o estrechos en los que los robots grandes no pueden ingresar. De acuerdo con él, también se pueden fabricar a costos mucho más bajos mediante la fabricación aditiva.

A pesar de estas claras ventajas, Zhao admite que a los robots más pequeños a menudo les resulta más difícil moverse en muchos entornos. Para abordar esto, dice que es mejor equiparlos con "múltiples capacidades de locomoción", como caminar, gateando saltando o volando, utilizando un mecanismo especializado para cada función.

"Sin embargo, Es un desafío empaquetar varios mecanismos especializados con accionamientos separados en un tamaño pequeño, y la detección, la computación y el control también son más exigentes. En este caso, en lugar de un mecanismo especializado para cada función, una solución novedosa es habilitar robots adaptativos que puedan reconfigurarse en respuesta a una necesidad, " él dice.

Haga clic en escarabajos

En otra parte, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois está llevando a cabo una investigación innovadora sobre el movimiento de los escarabajos de clic en un intento por inspirar robots más ágiles y adaptables. Como parte de este trabajo, El equipo ha utilizado rayos X de sincrotrón en la fuente de protones avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne para investigar el mecanismo de cierre interno (o liberación rápida) del insecto y demostró cómo una combinación de morfología y mecánica de bisagra facilita un mecanismo de clic único.

Como Aimy Wissa, profesor asistente en el departamento de ingeniería y ciencias mecánicas y director del Laboratorio de Morfología Adaptativa Bioinspirada en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, explica, La investigación se basa en el trabajo que explora el mecanismo de salto autoadrizable sin patas de los escarabajos de clic. Como parte de este ejercicio, el equipo ha construido prototipos de un dispositivo con resorte en forma de bisagra que se está incorporando a un robot.

En lugar de depender de sus piernas, Los escarabajos clic saltan flexionando todo su cuerpo mientras están en una posición invertida. Durante esta fase, apodado 'flexión del cuerpo, "el insecto almacena energía antes de lanzarla en un salto casi vertical, una acción que también ayuda al escarabajo a enderezarse si cae en una posición invertida. Al investigar la física del salto de la criatura, El equipo de Illinois pudo desarrollar un robot autónomo autoadrizable, centrándose en particular en las leyes de escala entre las especies de escarabajos y la influencia de la proporción de masa del insecto en su salto.

"Rápidamente nos dimos cuenta de que los escarabajos clic pertenecen a una clase de organismos que utilizan estrategias de movimiento de 'potencia amplificada'; utilizan elementos de almacenamiento elásticos para almacenar energía y liberarla a un ritmo mucho más rápido que los músculos. Me interesé en la posibilidad de utilizar tales estrategias de actuación para diseñar pequeños robots que sean más ágiles, puede recuperarse de caídas, y son capaces de maniobras rápidas, "dice Wissa.

Al filmar escarabajos con cámaras de alta velocidad, el equipo de Illinois descubrió que su salto se puede dividir en tres etapas:la etapa previa al salto, la etapa de despegue y la etapa de vuelo. Como parte de la etapa previa al salto, el insecto dobla su cuerpo y mantiene la posición por fricción mientras almacena energía. Mientras todavía está en contacto con el suelo, comienza a liberar energía durante la fase de despegue impulsando su centro de masa hacia arriba. Durante la siguiente etapa aerotransportada, da volteretas en el aire, trazando una trayectoria general que sigue un movimiento balístico a medida que las unidades corporales separadas giran alrededor del centro de masa. Usando datos de videos de escarabajos en vivo, Wissa y su equipo también han desarrollado dos modelos dinámicos de la fase de despegue y la fase de vuelo.

Durante la fase de despegue, la criatura también se modeló como un mecanismo de manivela deslizante que se acciona en el punto de bisagra, y la dinámica lagrangiana se utilizó como parte de un modelo preliminar de dos masas para simular el movimiento de rotación y traslación observado por el insecto en el aire.

"Estas estrategias de locomoción son útiles como inspiración para nuevas técnicas de actuación para aplicaciones como la robótica y la agricultura, "dice Wissa.

"A medida que los robots se vuelven omnipresentes en nuestra vida diaria, se les pedirá que se adapten a la misión. Se requerirá la misma plataforma para desempeñar diferentes roles. Por ejemplo, el mismo UAV [vehículo aéreo no tripulado, o dron] para transportar carga útil, evitar obstáculos, permanecer en el aire más tiempo, y realizar múltiples maniobras. Por lo tanto, estructuras adaptativas, o estructuras que pueden adaptar su forma y función a diferentes estimulantes, será más crítico en los próximos años, " ella agrega.

Robots multiusos

Zhao predice que los pequeños robots adaptativos tendrán muchas aplicaciones prometedoras, que van desde "monitoreo ambiental y vigilancia militar, para buscar y rescatar en áreas de desastre ". También espera que el tamaño pequeño permita una producción económica y de bajo costo, abriendo la posibilidad de implementarlos para aplicaciones de nicho específicas y para "formar automáticamente redes de sensores móviles y trabajar en colaboración para realizar tareas determinadas".

Aún así, Zhao enfatiza que se deben superar dos desafíos principales para habilitar robots adaptables. Primeramente, Los procesos de reconfiguración deben acelerarse para lograr lo que él describe como "reconfiguración en tiempo real". El proceso de reconfiguración de los robots CSU suele tardar varios minutos en completarse porque el equipo necesita calentar y enfriar los componentes utilizados para la reconfiguración. Este es un problema porque, en algunas aplicaciones, como alas cambiantes para robots voladores, las alas deben cambiar su forma en tiempo real para hacer frente a diversas situaciones aerodinámicas.

En segundo lugar, Zhao dice que los investigadores "aún necesitan establecer un marco teórico y fundamental para los robots adaptativos ... si queremos lograr varias configuraciones deseadas, ¿Cómo deberíamos diseñar correctamente el robot y especificar la estrategia de reconfiguración? No hay una respuesta clara a una pregunta de tan alto nivel ".

En un esfuerzo por abordar el primer desafío, Zhao explica que los investigadores pueden aprovechar materiales novedosos que requieren menos energía para cambiar la rigidez, como las aleaciones de bajo punto de fusión, que cambian de un estado rígido a un estado blando a temperaturas más bajas. Para abordar el segundo desafío, revela que los académicos pueden desarrollar marcos teóricos para predecir todas las posibles reconfiguraciones para un diseño dado, y luego "aprovechar las simulaciones computacionales para sintetizar un diseño para lograr las configuraciones deseadas".

"Mirando hacia el futuro, Creo que podremos lograr robots adaptables que puedan tener todo tipo de capacidades, como caminar, volador, nadar o escalar, En los próximos años. Esto se puede lograr mediante la explotación de las amplias opciones de materiales digitales que ofrece la impresión 3D para su uso en la fabricación de robots adaptativos y la miniaturización de varios componentes mecatrónicos, por ejemplo, sensores, actuadores y microcontroladores, así como simulaciones de alta fidelidad de sistemas mecánicos con materiales heterogéneos, especialmente para robots blandos hechos de materiales blandos, " él añade.