La investigación de las trayectorias de cientos de formas de papel en caída libre puede ayudar a informar el diseño de robótica bioinspirada que imita la naturaleza.

Investigadores del Laboratorio de Robótica Bioinspirada del Departamento de Ingeniería han abordado el desafío de modelar los comportamientos complejos y variados de los círculos y, por primera vez, cuadrado más complejo, formas hexagonales y cruzadas, todo sin intervención humana.

La investigación, publicado en la revista Inteligencia de la máquina de la naturaleza , utiliza automatización robótica, visión por computadora y aprendizaje automático para mapear de manera autónoma los comportamientos de caída de las formas, cada una de las cuales exhibe cuatro estilos de caída:volteretas (girando continuamente de un extremo a otro), caótico (cambiando entre movimientos de voltereta y caída sin estructura aparente), constante y periódico (cayendo de manera constante u oscilando hacia adelante y hacia atrás con una orientación horizontal).

Doctorado en Ingeniería estudiante Toby Howison, que formaba parte del equipo de investigación, dijo que los resultados del estudio se pueden utilizar para proporcionar información práctica sobre el diseño de robótica que puede ser necesaria para exhibir ciertos comportamientos relacionados con su estabilidad o velocidad de caída, por ejemplo.

El enfoque, conocido como un sistema de experimentación física iterativa (IPES), permite a los investigadores recopilar rápidamente grandes volúmenes de datos y analizarlos automáticamente para revelar patrones en la dinámica subyacente de las formas de papel que caen. Todo el proceso tarda una media de 90 segundos en completarse, con formas que tardan entre uno y cinco segundos en caer al suelo. La automatización de este proceso proporciona una enfoque de clasificación menos subjetivo, y los resultados mostraron que un esquema de clasificación no supervisado como este puede diferenciar con precisión entre el movimiento caótico y el de volteretas en las cuatro formas.

La configuración experimental consistió en un cortador láser para fabricar formas, un brazo robótico Universal Robots UR5 equipado con una pinza de succión personalizada para recoger y soltar las formas desde una altura de 1,1 metros, ya sea horizontal o verticalmente (elegido al azar), y dos cámaras de alta velocidad para registrar el comportamiento de caída. Esto permitió calcular las trayectorias de caída tridimensionales y la correspondiente oscilación. Luego, los datos se procesaron y utilizaron para segmentar y clasificar comportamientos y examinar automáticamente, por ejemplo, la relación entre la forma del papel, su comportamiento y velocidad de caída.

Toby Howison dijo:"Si vamos a diseñar robots voladores con movimientos complicados como planear o aletear, esto requiere algo de experimentación en el mundo real. Aquí es donde los sistemas autónomos como IPES pueden ayudar a informar no solo nuestra comprensión de tales movimientos, sino también cómo se pueden replicar en el diseño robótico.

"Al investigar las trayectorias de cientos de formas de papel en caída libre, un fenómeno desafiante de larga data, hemos podido estudiar, analizar e interpretar diferentes tipos de comportamientos de caída de una manera nueva, gracias a la tecnología robótica. Como resultado, ahora podemos transferir nuestro aprendizaje de estos comportamientos al diseño de robótica suave que camina o nada, por ejemplo.

"Es solo mediante la comprensión de estructuras como las formas de papel en caída libre que podemos aprender más sobre cómo interactúan los diferentes componentes de esa estructura. Nuestra investigación muestra que la interacción entre la forma del papel y su entorno proporciona un estilo de caída fiable que se crea sin ningún control a bordo, tal como, un chip o motor de computadora ".