Millirobots impresos en 3D que pueden sentir y reaccionar a su entorno
El milirobot
parecía un adorable vehículo de dibujos animados mientras navegaba con pericia
por un complejo laberinto. Es una criatura extraña: el fondo se asemeja a
una valla derrumbada; la parte superior, una cesta con forma de
colador. Del tamaño de un centavo, parece frágil y absolutamente modesto.
Pero en esencia
hay un cambio de paradigma potencial para construir robots autónomos que puedan
sentir y responder a su entorno local. A diferencia de los robots
clásicos, que se ensamblan con múltiples componentes, el milirobot está impreso
en 3D con un metamaterial de aspecto lechoso que puede cambiar sus
propiedades de manera flexible con unos pocos golpes eléctricos.
Los metamateriales
suenan como algo sacado de un cómic, pero el concepto es simple. A
diferencia de la madera, el vidrio u otros materiales estáticos en los que
confiamos fácilmente para mantener su estructura, los metamateriales utilizados
en el estudio (materiales piezoeléctricos) cambian fácilmente su estructura
cuando se ven afectados por un campo electromagnético. Esto permite que el
material se tuerza, se contorsione, se encoja o se expanda. Traza cada
movimiento y es posible construir y dirigir un robot.
Para construir el
bot, el equipo diseñó una configuración de impresión 3D para imprimir
estructuras robóticas utilizando materiales piezoeléctricos. Como
complemento adicional, el equipo les dio a los bots un brillo de ultrasonido,
incrustando componentes en el material, lo que ayudó a los bots a convertir las
vibraciones en electricidad para detectar su entorno.
Los milibots
aprendieron a caminar, saltar y escapar de obstáculos potenciales de forma
autónoma en tiempo real. Incluso podrían hacer una mini caminata por la
playa en el laboratorio, navegando fácilmente a través de un terreno arenoso y
accidentado parcialmente cubierto de vegetación.
Los bots, aunque
aún son rudimentarios, algún día podrían ayudar a administrar medicamentos en
espacios confinados en nuestros cuerpos si se reducen. También pueden
actuar como exploradores baratos, pequeños pero poderosos para explorar
entornos nuevos o peligrosos.
Para el Dr. Ahmad
Rafsanjani del Centro de Robótica Blanda de la Universidad del Sur de
Dinamarca, que no participó en el estudio, los milibots ponen de
relieve los metamateriales como una nueva forma de construir robots
autónomos. El estudio “destaca una visión más amplia de los ‘materiales
robóticos’ en los que el límite entre los materiales y las máquinas se vuelve imperceptible”,
escribió en un comentario relacionado. “La fabricación aditiva de
metamateriales piezoeléctricos puede conducir a la materialización de robots
completamente integrados que eventualmente podrían salir directamente de una
impresora 3D”.
Meta-Qué?
Los metamateriales
son extraños. Pero gracias a sus propiedades exóticas, los científicos han
explorado fácilmente los posibles usos de estos extraños patos. Un clásico
es la óptica. Los metamateriales a menudo están hechos de componentes que
interactúan de manera flexible con las ondas electromagnéticas, incluida la
luz. En cierto modo, son similares a los lentes de las cámaras o los
espejos, pero con el superpoder de cambiar rápidamente la forma en que dirigen
cada onda de luz. En teoría, una estructura cuidadosamente creada a partir
de metamateriales podría revisar todo tipo de anteojos, desde lentes de
microscopio hasta los que usamos en la cara.
Más recientemente,
los científicos comenzaron a explorar otros usos. Un gran esfuerzo es
incorporar materiales piezoeléctricos en chips neuromórficos, que simulan
aproximadamente cómo el cerebro calcula y almacena información. Al cambiar
las propiedades de estos materiales con campos eléctricos, los científicos
pueden aproximarse a cómo funcionan las sinapsis con energía ultrabaja. Otros
estudios aprovecharon la capacidad acrobática de los metamateriales para
transformar su forma, creando estructuras que convierten el movimiento lineal,
por ejemplo, un paseo de cangrejo, en rotaciones y engranajes
mecánicos. Es como si tus piernas de repente se convirtieran en ruedas
giratorias.
Sí, los
metamateriales son raros. ¿Cómo trabajan?
Ayuda imaginarlos
como televisores en caja de la vieja escuela con antenas . Para
ajustar el canal, es decir, el comportamiento del material, mueva las antenas
hasta que su estructura interactúe fuertemente con las ondas de radio, y
voil á , ha clavado el estado del material. Luego se puede
mezclar con materiales convencionales para construir estructuras intrincadas
similares a celosías mientras se conservan sus propiedades de
metamorfosis. Esta flexibilidad los convierte en un lienzo especialmente
intrigante para diseñar robots. Debido a que son una estructura casi
única, a la larga, podrían ayudar a construir prótesis inteligentes
menos propensas a fallar, ya que no tienen partes mecánicas móviles. En
lugar de soldar, ahora se pueden imprimir en 3D. (Esto me da todo el Westworldvibraciones:
Dolores mecánicos versus versión impresa de líquido lechoso, ¿alguien?).
Cosas extrañas
Los nuevos
milibots parecen un híbrido entre Wall-E y TARS, un robot con forma de palillos
plegables y estriados en Interstellar . Totalmente impresos en
3D, rompieron el dogma convencional para construir robots. Normalmente, un
robot necesita varios componentes independientes: sensores para navegar por el
entorno, microprocesadores para el “cerebro”, actuadores para el movimiento y
una fuente de alimentación para controlar todo el sistema. Cada enlace es
propenso a fallar.
Aquí, el equipo integró
cada componente en un diseño. El primer ingrediente clave son los
materiales piezoeléctricos, que convierten los campos eléctricos en tensión
mecánica y viceversa. Son los “músculos” que guían el movimiento del
robot. Pero cumplen una función triple. Dependiendo del estado del
metamaterial, puede formar una columna vertebral similar a la cerámica para
ayudar al milibot a mantener su forma. En su fase conductora, actúa como
células nerviosas, captando señales electromagnéticas para controlar los “músculos”. Para
aumentar aún más la destreza del bot, hay un elemento ultrasónico, fusionado
con el bot, que lo ayuda a sentir su entorno.
En total, el
milibot simple esencialmente tiene múltiples sistemas mezclados en una
sustancia pegajosa blanca deslumbrante: un sistema nervioso capaz de detectar y
actuar, un componente “muscular” y una estructura esquelética. Al colocar
la sustancia pegajosa en una impresora 3D, el equipo construyó entramados
sofisticados como la columna vertebral del robot, cada uno cuidadosamente
decorado con metales conductores y propiedades piezoeléctricas en regiones
específicas.
¿El
resultado? Un pequeño robot que aprovecha los campos eléctricos para
sentir y navegar en su entorno. Aún más impresionante es su capacidad para
“comprender” sus propios movimientos corporales y su ubicación en el espacio,
un truco llamado propiocepción que se ha denominado el “sexto
sentido” de la percepción humana y rara vez se implementa en robots.
Luego de algunos
desafíos, los autores mostraron la destreza de los bots. Un robot navegó
de manera experta alrededor de los obstáculos en tiempo real mientras un humano
derribaba barreras secuencialmente en función de la retroalimentación de
ultrasonido. En otra prueba, el robot saltó largas distancias y realizó
giros cerrados de manera experta. Con solo milisegundos de retraso, la
rana robot saltó varias superficies ásperas sin sudar, una tarea motora que previamente
desconcertó a otros bots.
Los milibots
también fueron excelentes mulas de carga. Incluso con un peso del 500 por
ciento en la carga útil, como una fuente de alimentación a bordo, un
controlador y un microcontrolador, pudieron moverse fácilmente con solo una
disminución del 20 por ciento en la velocidad. En la práctica, la
superpotencia convierte a estos bots en grandes andamios como máquinas de
administración de medicamentos que algún día podrían recorrer nuestro torrente
sanguíneo.
Un camino por
recorrer
Una sola pieza de
material piezoeléctrico puede ser extremadamente flexible, con seis grados de
libertad: la capacidad de extenderse linealmente en tres ejes (como doblar el
brazo hacia adelante, hacia los lados y hacia atrás) y girar en
rotación. Gracias a la fabricación aditiva del estudio, es fácil diseñar
diferentes arquitecturas robóticas guiadas por algoritmos creativos.
El equipo
“entretejió ingeniosamente la actuación y la percepción en una miniatura
liviana
celosía 3D
compuesta que se mueve y detecta su entorno”, dijo Rafsanjani.
Los robots pueden
parecer un enigma incongruente: una criatura flexible que está hecha de una
columna vertebral similar a la cerámica dura con un metamaterial. Pero
también lo somos los humanos: estamos hechos de células con formas, tamaños y
capacidades muy diferentes. La adaptación de las ideas utilizadas para
diseñar robots piezoeléctricos le da a la robótica blanda una nueva
perspectiva, lo que podría conducir a materiales completamente artificiales que
interactúan con nuestros cuerpos.
El estudio “acerca
los metamateriales robóticos a los sistemas biológicos, una función a la vez”,
dijo Rafsanjani.
Crédito de la imagen: Grupo de investigación Rayne
Fuente: OTecH
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