La locomoción robótica bioinspirada es una subcategoría bastante nueva de diseño bioinspirado. Se trata de aprender conceptos de la naturaleza y aplicarlos al diseño de sistemas de ingeniería del mundo real. Más específicamente, este campo se trata de hacer robots inspirados en sistemas biológicos . La biomimetismo y el diseño bioinspirado a veces se confunden. La biomimetismo es copiar de la naturaleza mientras que el diseño bioinspirado está aprendiendo de la naturaleza y hace un mecanismo que es más simple y más efectivo que el sistema observado en la naturaleza. La biomimetismo ha llevado al desarrollo de una rama diferente de la robótica llamada robótica suave.. Los sistemas biológicos se han optimizado para tareas específicas según su hábitat. Sin embargo, son multifuncionales y no están diseñados para una sola funcionalidad específica. La robótica bioinspirada se trata de estudiar sistemas biológicos y buscar los mecanismos que puedan resolver un problema en el campo de la ingeniería. Luego, el diseñador debe intentar simplificar y mejorar ese mecanismo para la tarea específica de interés. Los roboticistas bioinspirados suelen estar interesados en biosensores (por ejemplo, ojos ), bioactuadores (por ejemplo, músculos ) o biomateriales (por ejemplo, seda de araña ). La mayoría de los robots tienen algún tipo de sistema de locomoción. Así, en este artículo diferentes modos de locomoción animal. y se introducen algunos ejemplos de los correspondientes robots bioinspirados.
Biolocomoción
La biolocomoción o locomoción animal generalmente se clasifica de la siguiente manera:
Locomoción sobre una superficie
La locomoción en una superficie puede incluir la locomoción terrestre y la locomoción arbórea . Hablaremos específicamente sobre la locomoción terrestre en detalle en la siguiente sección.
Locomoción en un fluido
Locomoción en un torrente sanguíneo o en un medio de cultivo celular nadando y volando . Hay muchos robots que nadan y vuelan diseñados y construidos por roboticistas. Algunos de ellos usan motores miniaturizados o actuadores MEMS convencionales (como piezoeléctricos, térmicos, magnéticos, etc.), [1] [2] [3] mientras que otros usan células de músculos animales como motores. [4] [5] [6]
Clasificación de comportamiento (locomoción terrestre)
Hay muchos animales e insectos que se mueven por la tierra con o sin patas. En esta sección, hablaremos de la locomoción con piernas y sin extremidades, así como de la escalada y el salto. Anclar los pies es fundamental para la locomoción en tierra. La capacidad de aumentar la tracción es importante para un movimiento sin resbalones en superficies como rocas lisas y hielo, y es especialmente importante para moverse cuesta arriba. Existen numerosos mecanismos biológicos para proporcionar apoyo: las garras se basan en mecanismos basados en la fricción; pies de gecko sobre las fuerzas de las paredes de van der; y algunas patas de insectos sobre fuerzas adhesivas mediadas por fluidos. [7]
Locomoción con patas
Los robots con patas pueden tener una, [8] [9] [10] dos, [11] cuatro, [12] seis, [13] [14] [15] o muchas patas [16] dependiendo de la aplicación. Una de las principales ventajas de usar patas en lugar de ruedas es moverse con mayor eficacia en entornos irregulares. La locomoción bípeda , cuadrúpeda y hexagonal se encuentran entre los tipos más favoritos de locomoción con patas en el campo de la robótica bioinspirada. Rhex , un robot Hexapedal confiable [13] y Cheetah [17] son los dos robots que corren más rápido hasta ahora. iSprawl es otro robot hexagonal inspirado en la locomoción de las cucarachas que se ha desarrollado en la Universidad de Stanford. [14] Este robot puede correr hasta 15 cuerpos por segundo y puede alcanzar velocidades de hasta 2,3 m / s. La versión original de este robot se accionaba neumáticamente, mientras que la nueva generación utiliza un solo motor eléctrico para la locomoción. [15]
Locomoción sin extremidades
El terreno que involucra topografía en un rango de escalas de longitud puede ser un desafío para la mayoría de los organismos y robots biomiméticos. Organismos sin extremidades como las serpientes pasan fácilmente por ese terreno. Varios animales e insectos, incluidos gusanos , caracoles , orugas y serpientes, son capaces de moverse sin extremidades. Hirose et al. [18] Estos robots se pueden clasificar como robots con ruedas pasivas o activas, robots con huellas activas y robots ondulantes que utilizan ondas verticales o expansiones lineales. La mayoría de los robots con forma de serpiente usan ruedas, que tienen mucha fricción cuando se mueven de lado a lado, pero poca fricción cuando ruedan hacia adelante (y se puede evitar que rueden hacia atrás). La mayoría de los robots con forma de serpiente utilizan la ondulación lateral o la locomoción rectilínea y tienen dificultades para escalar verticalmente. Choset ha desarrollado recientemente un robot modular que puede imitar varios pasos de serpiente, pero no puede realizar movimientos de acordeón . [19] Investigadores de Georgia Tech han desarrollado recientemente dos robots con forma de serpiente llamados Scalybot. El enfoque de estos robots está en el papel de las escamas ventrales de las serpientes en el ajuste de las propiedades de fricción en diferentes direcciones. Estos robots pueden controlar activamente sus escalas para modificar sus propiedades de fricción y moverse en una variedad de superficies de manera eficiente. [20] Los investigadores de CMU han desarrollado robots similares a serpientes accionados tanto a escala [21] como convencionales. [22]
Escalada
La escalada es una tarea especialmente difícil porque los errores cometidos por el escalador pueden hacer que el escalador pierda el agarre y se caiga. La mayoría de los robots se han construido alrededor de una sola funcionalidad observada en sus contrapartes biológicas. Los geckobots [23] suelen utilizar fuerzas de van der waals que solo actúan sobre superficies lisas. Inspirándose en los geckos, los científicos de la Universidad de Stanford han recreado artificialmente la propiedad adhesiva de un gecko. Similar a la seta en la pata de un gecko, se colocaron millones de microfibras y se unieron a un resorte. La punta de la microfibra estará afilada y puntiaguda en circunstancias habituales, pero al activarse, el movimiento del resorte creará una tensión que doblará estas microfibras y aumentará su área de contacto con la superficie de un vidrio o pared. Utilizando la misma tecnología, los científicos de la NASA inventaron las pinzas de gecko para diferentes aplicaciones en el espacio. Stickybots, [24] [25] [26] [27] y [28] usan adhesivos secos direccionales que funcionan mejor en superficies lisas. Spinybot [29] y el robot RiSE [30] se encuentran entre los robots parecidos a insectos que utilizan espinas en su lugar. Los robots trepadores con patas tienen varias limitaciones. No pueden manejar grandes obstáculos ya que no son flexibles y requieren un amplio espacio para moverse. Por lo general, no pueden escalar superficies lisas y rugosas ni manejar transiciones verticales a horizontales también.
Saltar
Una de las tareas comúnmente realizadas por una variedad de organismos vivos es saltar . Bharal , liebres , canguros , saltamontes , pulgas y langostas se encuentran entre los mejores animales saltarines. En EPFL se ha desarrollado un robot saltador en miniatura de 7 g inspirado en la langosta que puede saltar hasta 138 cm. [31] El evento de salto se induce al liberar la tensión de un resorte. El robot en miniatura de salto más alto está inspirado en la langosta, pesa 23 gramos con su salto más alto a 365 cm es "TAUB" (Universidad de Tel-Aviv y Braude College of engineering). [32] Utiliza resortes de torsión como almacenamiento de energía e incluye un mecanismo de alambre y pestillo para comprimir y liberar los resortes. ETH Zurich ha informado de un robot de salto suave basado en la combustión de metano y gas hilarante . [33] La expansión térmica del gas dentro de la cámara de combustión blanda aumenta drásticamente el volumen de la cámara. Esto hace que el robot de 2 kg salte hasta 20 cm. El robot blando inspirado en un juguete de roly-poly luego se reorienta a una posición vertical después del aterrizaje.
Clasificación de comportamiento (locomoción acuática)
Natación (piscine)
Se calcula que al nadar algunos peces pueden alcanzar una eficiencia de propulsión superior al 90%. [34] Además, pueden acelerar y maniobrar mucho mejor que cualquier barco o submarino artificial, y producen menos ruido y menos perturbaciones en el agua. Por tanto, a muchos investigadores que estudian robots submarinos les gustaría copiar este tipo de locomoción. [35] Ejemplos notables son el Pez Robótico G9 de Ciencias de la Computación de la Universidad de Essex , [36] y el Robot Tuna construido por el Instituto de Robótica de Campo, para analizar y modelar matemáticamente el movimiento thuniforme . [37] El Aqua Penguin, [38] diseñado y construido por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión de las "aletas" frontales de los pingüinos . Festo también ha construido Aqua Ray y Aqua Jelly, que emulan la locomoción de las mantarrayas y las medusas, respectivamente.
En 2014, iSplash -II fue desarrollado por el estudiante de doctorado Richard James Clapham y el profesor Huosheng Hu en la Universidad de Essex. Fue el primer pez robótico capaz de superar a los peces carangiformes reales en términos de velocidad máxima promedio (medida en longitudes corporales / segundo) y resistencia, el tiempo que se mantiene la velocidad máxima. [39] Esta construcción alcanzó velocidades de nado de 11,6 BL / s (es decir, 3,7 m / s). [40] La primera construcción, iSplash- I (2014) fue la primera plataforma robótica en aplicar un movimiento de natación carangiforme de cuerpo completo que se encontró que aumenta la velocidad de natación en un 27% sobre el enfoque tradicional de una forma de onda confinada posterior. [41]
Clasificación morfológica
Modular
Los robots modulares suelen ser capaces de realizar varias tareas y son especialmente útiles para misiones de búsqueda y rescate o exploratorias. Algunos de los robots destacados en esta categoría incluyen un robot inspirado en una salamandra desarrollado en EPFL que puede caminar y nadar, [42] un robot inspirado en una serpiente desarrollado en la Universidad Carnegie-Mellon que tiene cuatro modos diferentes de locomoción terrestre, [19] y una cucaracha El robot inspirado puede correr y escalar en una variedad de terrenos complejos. [13]
Humanoide
Los robots humanoides son robots que parecen humanos o están inspirados en la forma humana. Hay muchos tipos diferentes de robots humanoides para aplicaciones como asistencia personal, recepción, trabajo en industrias o compañerismo. Este tipo de robots también se utilizan con fines de investigación y se desarrollaron originalmente para construir mejores ortesis y prótesis para seres humanos. Petman es uno de los primeros y más avanzados robots humanoides desarrollados en Boston Dynamics. Algunos de los robots humanoides, como Honda Asimo, se activan en exceso. [43] Por otro lado, hay algunos robots humanoides como el robot desarrollado en la Universidad de Cornell que no tienen actuadores y caminan pasivamente descendiendo una pendiente poco profunda. [44]
Enjambre
El comportamiento colectivo de los animales ha sido de interés para los investigadores durante varios años. Las hormigas pueden hacer estructuras como balsas para sobrevivir en los ríos. Los peces pueden sentir su entorno con mayor eficacia en grupos grandes. La robótica de enjambres es un campo bastante nuevo y el objetivo es hacer robots que puedan trabajar juntos y transferir los datos, hacer estructuras como grupo, etc. [45]
Suave
Los robots blandos [46] son robots compuestos enteramente de materiales blandos y movidos mediante presión neumática, similar a un pulpo o una estrella de mar . Estos robots son lo suficientemente flexibles para moverse en espacios muy limitados (como en el cuerpo humano). Los primeros robots blandos multigait se desarrollaron en 2011 [47] y el primer robot blando independiente completamente integrado (con baterías blandas y sistemas de control) se desarrolló en 2015 [48].
Ver también
- Locomoción animal
- Biomiméticos
- Biorrobótica
- Biomecatrónica
- Ingeniería de inspiración biológica
- Materiales robóticos
- Listas de tipos de robots
Referencias
- ^ R. Fearing, S. Avadhanula, D. Campolo, M. Sitti, J. Jan y R. Wood, "Un tórax de insecto volador micromecánico", Neurotecnología para robots biomiméticos, págs. 469–480, 2002.
- ^ G. Dudek, M. Jenkin, C. Prahacs, A. Hogue, J. Sattar, P. Giguere, A. German, H. Liu, S. Saun- derson, A. Ripsman, et al., "A visualmente robot de natación guiado ", en la Conferencia Internacional IEEE / RSJ sobre Robots y Sistemas Inteligentes, IROS, págs. 3604–3609, 2005.
- ^ A. Alessi, A. Sudano, D. Accoto, E. Guglielmelli, "Desarrollo de un pez robótico autónomo", en Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 2012 4ta Conferencia Internacional IEEE RAS & EMBS en (págs. 1032-1037 ). IEEE.
- ^ Nawroth; et al. (2012). "Una medusa de tejido con propulsión biomimética" . Biotecnología de la naturaleza . 30 : 792–797. doi : 10.1038 / nbt.2269 . PMC 4026938 .
- ^ Parque; et al. (2016). "Guía fototáctica de un rayo robótico blando de ingeniería de tejidos" . Ciencia . 353 : 158-162. doi : 10.1126 / science.aaf4292 .
- ^ Espinilla; et al. (2018). "Robots blandos bioinspirados de microingeniería accionados eléctricamente" . Materiales avanzados . 30 : 1704189. doi : 10.1002 / adma.201704189 . PMC 6082116 .
- ^ RM Alexander, Principios de la locomoción animal. Prensa de la Universidad de Princeton, 2003
- ^ MH Raibert, HB Brown, "Experimentos en equilibrio con una máquina de salto 2D con una sola pierna", Revista ASME de sistemas dinámicos, medición y control, pp75-81, 1984.
- ^ M. Ahmadi y M. Buehler, "Control estable de un robot simulado que corre con una sola pierna con cumplimiento de cadera y pierna", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 13, no. 1, págs. 96-104, 1997.
- ^ P. Gregorio, M. Ahmadi y M. Buehler, "Diseño, control y energía de un robot de patas accionado eléctricamente", IEEE Transacciones sobre sistemas, hombre y cibernética, Parte B: Cibernética, vol. 27, no. 4, págs. 626–634, 1997.
- ^ R. Niiyama, A. Nagakubo y Y. Kuniyoshi, "Mowgli: Un robot bípedo que salta y aterriza con un sistema musculoesquelético artificial", en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización, págs. 2546-2551, 2007.
- ^ M. Raibert, K. Blankespoor, G. Nelson, R. Playter, et al., "Bigdog, el robot cuadrúpedo de terreno accidentado", en Actas del XVII Congreso Mundial, págs. 10823-10825, 2008.
- ^ a b c U. Saranli, M. Buehler y D. Koditschek, "Rhex: Un robot hexápodo simple y muy móvil", The International Journal of Robotics Research, vol. 20, no. 7, págs. 616–631, 2001.
- ^ a b J. Clark, J. Cham, S. Bailey, E. Froehlich, P. Nahata, M. Cutkosky, et al., "Diseño biomimético y fabricación de un robot en ejecución hexagonal", en Robotics and Automation, 2001. Actas 2001 ICRA. Conferencia Internacional IEEE sobre, vol. 4, págs. 3643–3649, 2001.
- ^ a b S. Kim, J. Clark y M. Cutkosky, "isprawl: Diseño y ajuste para la ejecución autónoma de bucle abierto de alta velocidad", The International Journal of Robotics Research, vol. 25, no. 9, págs. 903– 912, 2006.
- ^ S. Wakimoto, K. Suzumori, T. Kanda, et al., "Un robot anfibio biomimético de cordón blando", Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos Parte C, vol. 18, no. 2, págs. 471–477, 2006.
- ^ Y. Li, B. Li, J. Ruan y X. Rong, "Investigación de robots cuadrúpedos biónicos de mamíferos: una revisión", en Robótica, Conferencia IEEE sobre Automatización y Mecatrónica, págs. 166-171, 2011.
- ^ S. Hirose, P. Cave y C. Goulden, Robots de inspiración biológica: locomotoras y manipuladores con forma de serpiente, vol. 64. Oxford University Press Oxford, Reino Unido, 1993
- ^ a b R. Hatton y H. Choset, "Generación de pasos para robots serpiente: ajuste de cadena recocido y extracción de ondas de fotogramas clave", Autonomous Robots, vol. 28, no. 3, págs. 271–281, 2010.
- ^ H. Marvi, G. Meyers, G. Russell, D. Hu, "Scalybot: un robot inspirado en una serpiente con anisotropía de fricción activa", Conferencia de control y sistemas dinámicos de ASME, Arlington, VA, 2011.
- ^ LA PIEL DE SERPIENTE LE DA A UN ROBOT EL PODER DE ARRASTRARSE
- ^ ESTA SERPIENTE ROBOT SIGNIFICA QUE NO HAY DAÑO, REALMENTE
- ^ O. Unver, A. Uneri, A. Aydemir y M. Sitti, "Geckobot: un robot trepador inspirado en gecko que utiliza adhesivos elastómeros", en Conferencia internacional sobre robótica y automatización, págs. 2329-2335, 2006.
- ^ S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, D. Santos y M. Cutkosky, "Escalada de superficie vertical lisa con adherencia direccional", IEEE Transactions on Robotics, vol. 24, no. 1, págs. 65–74, 2008.
- ^ S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, V. Mattoli y M. Cutkosky, "Adhesión de cuerpo entero: control jerárquico, direccional y distribuido de las fuerzas adhesivas para un robot trepador", en la Conferencia Internacional IEEE sobre robótica y automatización, págs. 1268-1273, 2007.
- ^ D. Santos, B. Heyneman, S. Kim, N. Esparza y M. Cutkosky, "Comportamientos de escalada inspirados en Gecko en superficies verticales y salientes", en IEEE International Conference on Robotics and Automation, págs. 1125-1131, 2008.
- ^ A. Asbeck, S. Dastoor, A. Parness, L. Fullerton, N. Esparza, D. Soto, B. Heyneman y M. Cutkosky, "Escalar superficies verticales rugosas con adhesión direccional jerárquica", en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y automatización, págs. 2675–2680, 2009.
- ^ S. Trujillo, B. Heyneman y M. Cutkosky, "Regulación de la marcha convergente restringida para un robot trepador", en IEEE International Conference on Robotics and Automation, págs. 5243-5249, 2010.
- ^ A. Asbeck, S. Kim, M. Cutkosky, W. Provancher, M. Lanzetta, "Escalado de superficies verticales duras con matrices de microespinas compatibles", The International Journal of Robotics Research, Vol.25, No. 12, págs. 1165 -1179, 2006.
- ^ M. Spenko, G. Haynes, J. Saunders, M. Cutkosky, A. Rizzi, D. Koditschek, et al., "Escalada biológicamente inspirada con un robot hexagonal", Journal of Field Robotics, vol. 25, no. 4-5, págs. 223– 242, 2008.
- ^ M. Kovac, M. Fuchs, A. Guignard, J. Zufferey y D. Floreano, "Un robot saltarín en miniatura de 7 g", en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización, págs. 373–378, 2008.
- ^ V. Zaitsev, O. Gvirsman, U. Ben Hanan, A. Weiss, A. Ayali y G. Kosa, "Un robot saltador en miniatura inspirado en la langosta", en Bioinspiration & biomimetics, 10 (6), p.066012.
- ^ M. Loepfe, CM Schumacher, UB Lustenberger y WJ Stark, "Un robot blando Roly-Poly saltarín sin ataduras impulsado por combustión", Soft Robotics, vol. 2, núm. 1, págs. 33-41, 2015.
- ^ Sfakiotakis; et al. (1999). "Revisión de modos de natación de peces para la locomoción acuática" (PDF) . Revista IEEE de Ingeniería Oceánica. Archivado desde el original (PDF) el 26 de septiembre de 2007 . Consultado el 24 de octubre de 2007 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Richard Mason. "¿Cuál es el mercado de peces robot?" . Archivado desde el original el 4 de julio de 2009.
- ^ "Pez robótico impulsado por Gumstix PC y PIC" . Grupo de robótica centrada en el ser humano de la Universidad de Essex. Archivado desde el original el 24 de agosto de 2011 . Consultado el 25 de octubre de 2007 .
- ^ Witoon Juwarahawong. "Robot Pez" . Instituto de Robótica de Campo. Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2007 . Consultado el 25 de octubre de 2007 .
- ^ youtube.com
- ^ "Pez robótico de alta velocidad | iSplash" . isplash-robot . Consultado el 7 de enero de 2017 .
- ^ "iSplash-II: darse cuenta de que la natación carangiforme rápida para superar a un pez real" (PDF) . Grupo de robótica de la Universidad de Essex. Archivado desde el original (PDF) el 30 de septiembre de 2015 . Consultado el 29 de septiembre de 2015 .
- ^ "iSplash-I: movimiento de natación de alto rendimiento de un pez robótico carangiforme con coordinación de cuerpo completo" (PDF) . Grupo de robótica de la Universidad de Essex. Archivado desde el original (PDF) el 30 de septiembre de 2015 . Consultado el 29 de septiembre de 2015 .
- ^ AJ Ijspeert, A. Crespi, D. Ryczko y J.-M. Cabelguen, "De nadar a caminar con un robot salamandra impulsado por un modelo de médula espinal", Science, vol. 315, núm. 5817, pág. 1416-1420, 2007.
- ^ K. Hirer, M. Hirose, Y. Haikawa y T. Takenaka, "El desarrollo del robot humanoide honda", en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización, vol. 2, págs. 1321-1326, 1998.
- ^ S. Collins, M. Wisse y A. Ruina, "Un robot caminante pasivo-dinámico tridimensional con dos piernas y rodillas", The International Journal of Robotics Research, vol. 20, no. 7, págs. 607–615, 2001.
- ^ E. S ̧ahin, "Swarm robótica: de fuentes de inspiración a dominios de aplicación", Swarm Robotics, págs. 10-20, 2005.
- ^ Trivedi, D., Rahn, CD, Kier, WM y Walker, ID (2008). Robótica blanda: inspiración biológica, estado del arte e investigación futura. Biónica y biomecánica aplicadas, 5 (3), 99-117.
- ^ R. Shepherd, F. Ilievski, W. Choi, S. Morin, A. Stokes, A. Mazzeo, X. Chen, M. Wang y G. Whitesides, "Robot blando multigait", Actas de la Academia Nacional de Ciencias, vol. 108, no. 51, págs. 20400–20403, 2011.
- ^ "Pneumatic Octopus es el primer robot en solitario suave" . BBC . Consultado el 25 de agosto de 2016 .
enlaces externos
- El kit de herramientas de Soft Robotics
- Boston Dynamics
- La investigación para esta entrada de Wikipedia se realizó como parte de un curso de Neuromecánica de la Locomoción (APPH 6232) ofrecido en la Escuela de Fisiología Aplicada de Georgia Tech.
Laboratorios de investigación
- Laboratorio Poly-PEDAL (Prof. Bob Full)
- Laboratorio de Milisistemas Biomiméticos (Prof. Ron Fearing)
- Laboratorio de biomimética y manipulación diestra (Prof. Mark Cutkosky)
- Laboratorio de robótica biomimética (Prof.Sangbae Kim)
- Laboratorio de microrrobótica de Harvard (Prof. Rob Wood)
- Laboratorio de Biodiseño de Harvard (Prof. Conor Walsh)
- Laboratorio de materiales funcionales de ETH (Prof. Wendelin Stark)
- Laboratorio de piernas en el MIT
- Centro de diseño de inspiración biológica en Georgia Tech
- Laboratorio de robótica de inspiración biológica, Case Western Reserve University
- Grupo de investigación en biorrobótica (S. Viollet / F. Ruffier) , Instituto de Ciencias del Movimiento, CNRS / Universidad de Aix-Marsella (Francia)
- Centro de Biorobótica, Universidad Tecnológica de Tallin
- BioRob EPFL (Prof. Auke Ijspeert)