Si le pidiera a alguien que nombrara una nueva tecnología que surgió del MIT en el siglo XXI, hay muchas posibilidades de que le pongan nombre al guepardo robótico. Desarrollado por el Laboratorio de Robótica Biomimética del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT bajo la dirección del Profesor Asociado Sangbae Kim, el Cheetah cuadrúpedo del MIT ha sido noticia por su dinámica andar con piernas, velocidad, habilidad para saltar, y diseño biomimético.

El Cheetah II del tamaño de un perro puede correr sobre cuatro patas articuladas a una velocidad de hasta 6,4 metros por segundo, hacer giros suaves para correr, y saltar a una altura de 60 centímetros. El robot también puede determinar de forma autónoma cómo evitar o saltar obstáculos.

Kim ahora está desarrollando un robot de tercera generación, el guepardo III. En lugar de mejorar la velocidad y la capacidad de salto del Cheetah, Kim está convirtiendo al Cheetah en un robot comercialmente viable con mejoras como una mayor capacidad de carga útil, rango de movimiento más amplio, y una hábil función de agarre. El Cheetah III actuará inicialmente como un robot de inspección espectral en entornos peligrosos, como una planta nuclear o una fábrica química comprometida. Luego evolucionará para atender otras necesidades de respuesta a emergencias.

"El Cheetah II se centró en la locomoción de alta velocidad y el salto ágil, pero no fue diseñado para realizar otras tareas, "dice Kim." Con el Cheetah III, Pusimos muchos requisitos prácticos en el diseño para que pueda ser un jugador versátil. Puede realizar movimientos de alta velocidad y acciones poderosas, pero también puede ser muy preciso ".

El Laboratorio de Robótica Biomimética también está terminando un versión reducida del guepardo, llamado Mini Cheetah, diseñado para la investigación y la educación en robótica. Otros proyectos incluyen un robot humanoide teleoperado llamado Hermes que proporciona retroalimentación háptica a los operadores humanos. También hay una investigación en etapa inicial sobre la aplicación de tecnología de actuador similar a Cheetah para abordar los desafíos de movilidad entre los discapacitados y los ancianos.

Conquistando la movilidad en la tierra

"Con el proyecto Cheetah, Inicialmente me motivó copiar animales terrestres, pero también me di cuenta de que había una brecha en la movilidad del suelo, ", dice Kim." Hemos conquistado el transporte aéreo y marítimo, pero no hemos conquistado la movilidad terrestre porque nuestras tecnologías todavía se basan en carreteras o rieles pavimentados artificialmente. Ninguna de nuestras tecnologías de transporte puede viajar de manera confiable sobre terrenos naturales o incluso entornos artificiales con escaleras y bordillos. Los robots de patas dinámicas pueden ayudarnos a conquistar la movilidad en el suelo ".

Un desafío con los sistemas de patas es que "necesitan actuadores de alto par, "dice Kim." Una articulación de la cadera humana puede generar más torque que un automóvil deportivo, pero lograr un accionamiento de par tan alto condensado en robots es un gran desafío ".

Los robots tienden a lograr un par elevado a expensas de la velocidad y la flexibilidad, dice Kim. Los robots de fábrica utilizan actuadores de alto par, pero son rígidos y no pueden absorber energía por el impacto que resulta de subir escalones. Accionado hidráulicamente, robots de patas dinámicas, como el más grande, mayor carga útil, Big Dog cuadrúpedo de Boston Dynamics, puede lograr una fuerza y ​​potencia muy altas, pero a expensas de la eficiencia. "La eficiencia es un problema serio con la hidráulica, especialmente cuando te mueves rápido, " él añade.

Un objetivo principal del proyecto Cheetah ha sido crear actuadores que puedan generar un alto par en diseños que imiten los músculos de los animales y, al mismo tiempo, logren eficiencia. Para lograr esto, Kim optó por actuadores eléctricos en lugar de hidráulicos. "Nuestros motores eléctricos de alto par han superado la eficiencia de los animales con músculos biológicos, y son mucho más eficientes, más económico, y más rápido que los robots hidráulicos, " él dice.

Cheetah III:más que un velocista

A diferencia de las versiones anteriores, el diseño de Cheetah III estuvo motivado más por aplicaciones potenciales que por pura investigación. Kim y su equipo estudiaron los requisitos de un robot de respuesta a emergencias y trabajaron al revés.

"Creemos que el Cheetah III podrá navegar en una central eléctrica con radiación en dos o tres años, "dice Kim." En cinco a 10 años debería poder hacer más trabajo físico como desarmar una planta de energía cortando piezas y sacándolas. En 15 a 20 años, debería poder entrar en el incendio de un edificio y posiblemente salvar una vida ".

En situaciones como el desastre nuclear de Fukushima, los robots o drones son la única opción segura para el reconocimiento. Los drones tienen algunas ventajas sobre los robots, pero no pueden aplicar grandes fuerzas necesarias para tareas como abrir puertas, y hay muchas situaciones de desastre en las que los escombros caídos prohíben el vuelo de los drones.

En comparación, el Cheetah III puede aplicar fuerzas de nivel humano al medio ambiente durante horas. A menudo puede trepar o saltar sobre escombros, o incluso moverlo fuera del camino. Comparado con un dron, también es más fácil para un robot inspeccionar de cerca la instrumentación, interruptores de tirón, y pulsadores, dice Kim. "El Cheetah III puede medir temperaturas o compuestos químicos, o cerrar y abrir válvulas ".

Las ventajas sobre los robots con orugas incluyen la capacidad de maniobrar sobre escombros y subir escaleras. "Las escaleras son uno de los mayores obstáculos para los robots, ", dice Kim." Creemos que los robots con patas son mejores en entornos artificiales, especialmente en situaciones de desastre donde hay aún más obstáculos ".

El Cheetah III se ralentizó un poco en comparación con el Cheetah II, pero también se le da mayor fuerza y ​​flexibilidad. "Aumentamos el torque para que pueda abrir las pesadas puertas que se encuentran en las plantas de energía, ", dice Kim." Aumentamos el rango de movimiento a 12 grados de libertad mediante el uso de 12 motores eléctricos que pueden articular el cuerpo y las extremidades ".

Esto todavía está muy por debajo de la flexibilidad de los animales, que tienen más de 600 músculos. Todavía, el Cheetah III puede compensar algo con otras técnicas. "Maximizamos el espacio de trabajo de cada junta para lograr una cantidad razonable de accesibilidad, "dice Kim.

El diseño incluso puede usar las piernas para manipulación. "Al utilizar la flexibilidad de las extremidades, el Cheetah III puede abrir la puerta con una pierna, ", dice Kim." Puede pararse sobre tres patas y equipar la cuarta rama con una mano intercambiable personalizada para abrir la puerta o cerrar una válvula ".

El Cheetah III tiene una capacidad de carga útil mejorada para transportar sensores y cámaras más pesados, y posiblemente incluso para entregar suministros a las víctimas discapacitadas. Sin embargo, falta mucho para poder rescatarlos. El Cheetah III todavía está limitado a una carga útil de 20 kilogramos, y puede viajar sin ataduras durante cuatro a cinco horas con una carga útil mínima.

"Finalmente, esperamos desarrollar una máquina que pueda rescatar a una persona, "dice Kim." No estamos seguros de si el robot llevaría a la víctima o llevaría un dispositivo de transporte, ", dice." Nuestro diseño actual puede al menos ver si hay víctimas o si hay más eventos potencialmente peligrosos ".

Experimentando con la interacción humano-robot

El semiautónomo Cheetah III puede tomar decisiones de deambulación y navegación por sí solo. Sin embargo, para el trabajo en caso de desastre, Funcionará principalmente por control remoto.

"Inspección totalmente autónoma, especialmente en respuesta a desastres, seria muy dificil, "dice Kim. Entre otras cuestiones, la toma de decisiones autónoma a menudo lleva tiempo, y puede implicar prueba y error, lo que podría retrasar la respuesta.

"La gente controlará el Cheetah III a un alto nivel, ofreciendo ayuda, pero sin manejar todos los detalles, "dice Kim." La gente podría indicarle que vaya a una ubicación específica en el mapa, encuentra este lugar, y abre esa puerta. Cuando se trata de acción manual o manipulación, el humano asumirá más control y le dirá al robot qué herramienta usar ".

Los humanos también pueden ayudar con controles más instintivos. Por ejemplo, si el guepardo usa una de sus piernas como brazo y luego aplica fuerza, es difícil mantener el equilibrio. Kim ahora está investigando si los operadores humanos pueden usar "retroalimentación equilibrada" para evitar que el guepardo se caiga mientras aplica toda su fuerza.

"Incluso de pie sobre dos o tres piernas, todavía podría realizar acciones de alta fuerza que requieran un equilibrio complejo, "dice Kim." El operador humano puede sentir el equilibrio, y ayudar al robot a cambiar su impulso para generar más fuerza para abrir o martillar una puerta ".

El Laboratorio de Robótica Biomimética está explorando la retroalimentación equilibrada con otro proyecto de robot llamado Hermes (Mecanismos robóticos altamente eficientes y sistema electromecánico). Como el Cheetah III, es un completo articulado, robot de patas dinámicas diseñado para responder a desastres. Todavía, el Hermes es bípedo, y completamente teleoperado por un humano que usa un casco de telepresencia y un traje de cuerpo entero. Como el Hermes, el traje está equipado con sensores y dispositivos de retroalimentación háptica.

"El operador puede sentir la situación de equilibrio y reaccionar usando el peso corporal o implementando directamente más fuerzas, "dice Kim.

La latencia requerida para una retroalimentación tan íntima en tiempo real es difícil de lograr con Wi-Fi, incluso cuando no está bloqueado por paredes, distancia, o interferencia inalámbrica. "En la mayoría de situaciones de desastre, necesitaría algún tipo de comunicación por cable, "dice Kim". Creo que usaremos fibras ópticas reforzadas ".

Mejora de la movilidad de las personas mayores

Mirando más allá de la respuesta a desastres, Kim prevé un papel importante para ágil, Robots dinámicos de patas en el cuidado de la salud:mejora de la movilidad de la población anciana en rápido crecimiento. Numerosos proyectos de robótica están dirigidos al mercado de personas mayores con robots sociales parlanchines. Kim está imaginando algo más fundamental.

"Todavía no tenemos una tecnología que pueda ayudar a las personas mayores o con discapacidades a moverse sin problemas de la cama a la silla de ruedas al automóvil y viceversa, "dice Kim." Muchas personas mayores tienen problemas para levantarse de la cama y subir escaleras. Algunos ancianos con problemas en las articulaciones de la rodilla, por ejemplo, siguen siendo bastante móviles en terrenos planos, pero no puede bajar las escaleras sin ayuda. Eso es una fracción muy pequeña del día en que necesitan ayuda. Por eso buscamos algo que sea liviano y fácil de usar para recibir ayuda por poco tiempo ".

Actualmente, Kim está trabajando en "crear una tecnología que pueda hacer que el actuador sea seguro, ", dice." Los actuadores eléctricos que usamos en el Cheetah ya son más seguros que otras máquinas porque pueden absorber energía fácilmente. La mayoría de los robots son rígidos lo que causaría muchas fuerzas de impacto. Nuestras máquinas ceden un poco ".

Al combinar una tecnología de actuador tan segura con algunas de las tecnologías de Hermes, Kim espera desarrollar un robot que pueda ayudar a las personas mayores en el futuro. "Los robots no solo pueden abordar la escasez de mano de obra esperada para el cuidado de los ancianos, sino también la necesidad de mantener la privacidad y la dignidad, " él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.