Robótica blanda

La robótica blanda es el subcampo específico de la robótica que se ocupa de construir robots a partir de materiales altamente compatibles , similares a los que se encuentran en los organismos vivos. [1]

Robot con ruedas de patas blandas con capacidad de locomoción terrestre

La robótica blanda se basa en gran medida en la forma en que los organismos vivos se mueven y se adaptan a su entorno. A diferencia de los robots construidos con materiales rígidos, los robots blandos permiten una mayor flexibilidad y adaptabilidad para realizar tareas, así como una mayor seguridad cuando se trabaja con humanos. [2] Estas características permiten su uso potencial en los campos de la medicina y la fabricación.

Modelo impreso en 3D que se asemeja a un pulpo.

El objetivo de la robótica blanda es el diseño y la construcción de robots con cuerpos y electrónica físicamente flexibles. A veces, la suavidad se limita a una parte de la máquina. Por ejemplo, los brazos robóticos de cuerpo rígido pueden emplear efectores de extremo blando para agarrar y manipular suavemente objetos delicados o de forma irregular. La mayoría de los robots móviles de cuerpo rígido también emplean estratégicamente componentes blandos, como almohadillas para los pies para absorber los golpes o articulaciones elásticas para almacenar / liberar energía elástica. Sin embargo, el campo de la robótica blanda generalmente se inclina hacia máquinas que son predominantemente o completamente blandas. Los robots con cuerpos completamente blandos tienen un potencial tremendo. Por un lado, su flexibilidad les permite meterse en lugares donde los cuerpos rígidos no pueden, lo que podría resultar útil en situaciones de emergencia. Los robots blandos también son más seguros para la interacción humana y para el despliegue interno dentro del cuerpo humano.

La naturaleza es a menudo una fuente de inspiración para el diseño de robots blandos, dado que los animales mismos están compuestos en su mayoría por componentes blandos y parecen explotar su suavidad para un movimiento eficiente en entornos complejos en casi todas partes de la Tierra. [3] Por lo tanto, los robots blandos a menudo están diseñados para parecerse a criaturas familiares, especialmente organismos completamente blandos como los pulpos. Sin embargo, es extremadamente difícil diseñar y controlar manualmente robots blandos dada su baja impedancia mecánica. Lo que hace que los robots blandos sean beneficiosos, su flexibilidad y cumplimiento, los hace difíciles de controlar. Las matemáticas desarrolladas durante los últimos siglos para diseñar cuerpos rígidos generalmente no se extienden a los robots blandos. Por lo tanto, los robots blandos se diseñan comúnmente en parte con la ayuda de herramientas de diseño automatizadas, como los algoritmos evolutivos, que permiten que la forma, las propiedades del material y el controlador de un robot blando se diseñen y optimicen de forma simultánea y automática para una tarea determinada. [4]

Las células vegetales pueden producir inherentemente presión hidrostática debido a un gradiente de concentración de soluto entre el citoplasma y el entorno externo (potencial osmótico). Además, las plantas pueden ajustar esta concentración mediante el movimiento de iones a través de la membrana celular. Esto luego cambia la forma y el volumen de la planta a medida que responde a este cambio en la presión hidrostática. Esta evolución de la forma derivada de la presión es deseable para la robótica blanda y se puede emular para crear materiales adaptables a la presión mediante el uso del flujo de fluidos . [5] La siguiente ecuación [6] modela la tasa de cambio del volumen de la celda:

es la tasa de cambio de volumen.
es la membrana celular.
es la conductividad hidráulica del material.
es el cambio en la presión hidrostática.
es el cambio en el potencial osmótico .

Este principio se ha aprovechado en la creación de sistemas de presión para robótica blanda. Estos sistemas están compuestos por resinas blandas y contienen múltiples sacos fluidos con membranas semipermeables. La semipermeabilidad permite el transporte de fluidos que luego conduce a la generación de presión. Esta combinación de transporte de fluidos y generación de presión conduce a cambios de forma y volumen. [5]

Otro mecanismo de cambio de forma biológicamente inherente es el del cambio de forma higroscópico. En este mecanismo, las células vegetales reaccionan a los cambios de humedad. Cuando la atmósfera circundante tiene mucha humedad, las células vegetales se hinchan, pero cuando la atmósfera circundante tiene poca humedad, las células vegetales se encogen. Este cambio de volumen se ha observado en granos de polen [7] y escamas de piñas. [5] [8]

También se pueden derivar enfoques similares para las articulaciones blandas hidráulicas a partir de la locomoción arácnida , donde el control fuerte y preciso sobre una articulación se puede controlar principalmente a través de la hemolinfa comprimida.

Las técnicas de fabricación convencionales, como las técnicas sustractivas como el taladrado y el fresado, no son útiles cuando se trata de construir robots blandos, ya que estos robots tienen formas complejas con cuerpos deformables. Por tanto, se han desarrollado técnicas de fabricación más avanzadas. Entre ellos se incluyen la fabricación por deposición de formas (SDM), el proceso de microestructura compuesta inteligente (SCM) y la impresión 3D multimaterial. [2] [9]

SDM es un tipo de creación rápida de prototipos mediante el cual la deposición y el mecanizado ocurren cíclicamente. Esencialmente, uno deposita un material, lo mecaniza, incrusta una estructura deseada, deposita un soporte para dicha estructura y luego mecaniza adicionalmente el producto hasta una forma final que incluye el material depositado y la parte incrustada. [9] El hardware integrado incluye circuitos, sensores y actuadores, y los científicos han integrado con éxito controles dentro de materiales poliméricos para crear robots blandos, como el Stickybot [10] y el iSprawl. [11]

SCM es un proceso mediante el cual se combinan cuerpos rígidos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) con ligamentos poliméricos flexibles. El polímero flexible actúa como uniones para el esqueleto. Con este proceso, se crea una estructura integrada del CFRP y los ligamentos de polímero mediante el uso de mecanizado láser seguido de laminación. Este proceso SCM se utiliza en la producción de robots de mesoescala, ya que los conectores de polímero sirven como alternativas de baja fricción a las uniones de pasador. [9]

La impresión 3D ahora se puede utilizar para imprimir una amplia gama de tintas de silicona utilizando Robocasting, también conocido como escritura con tinta directa (DIW). Esta ruta de fabricación permite una producción perfecta de actuadores de elastómero fluídico con propiedades mecánicas definidas localmente. Además, permite una fabricación digital de actuadores neumáticos de silicona que exhiben arquitecturas y movimientos programables bioinspirados. [12] Se ha impreso una amplia gama de softrobots completamente funcionales utilizando este método, incluidos movimientos de flexión, torsión, agarre y contracción. Esta técnica evita algunos de los inconvenientes de las rutas de fabricación convencionales, como la delaminación entre piezas encoladas. Otro método de fabricación aditiva que produce materiales de transformación de forma cuya forma es fotosensible, activada térmicamente o sensible al agua. Esencialmente, estos polímeros pueden cambiar de forma automáticamente al interactuar con el agua, la luz o el calor. Un ejemplo de un material de transformación de forma se creó mediante el uso de impresión por chorro de tinta reactiva a la luz sobre un objetivo de poliestireno. [13] Además, los polímeros con memoria de forma han sido rápidamente prototipados que comprenden dos componentes diferentes: un esqueleto y un material de bisagra. Tras la impresión, el material se calienta a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea del material de bisagra. Esto permite la deformación del material de la bisagra, sin afectar el material del esqueleto. Además, este polímero se puede reformar continuamente mediante calentamiento. [13]

Todos los robots blandos requieren un sistema de actuación para generar fuerzas de reacción, para permitir el movimiento y la interacción con su entorno. Debido a la naturaleza dócil de estos robots, los sistemas de actuación suave deben poder moverse sin el uso de materiales rígidos que actuarían como los huesos en los organismos, o el marco de metal que es común en los robots rígidos. Sin embargo, existen varias soluciones de control para el problema de actuación suave y han encontrado su uso, cada una de las cuales posee ventajas y desventajas. A continuación se enumeran algunos ejemplos de métodos de control y los materiales apropiados.

Campo eléctrico

Un ejemplo es la utilización de fuerza electrostática que se puede aplicar en:

  • Actuadores de elastómero dieléctrico (DEA) que utilizan un campo eléctrico de alto voltaje para cambiar su forma ( ejemplo de DEA en funcionamiento ). Estos actuadores pueden producir fuerzas elevadas, tienen una potencia específica alta (W kg −1 ), producen deformaciones grandes (> 1000%), [14] poseen una densidad de energía alta (> 3 MJ m −3 ), [15] exhiben autodetección y lograr velocidades de actuación rápidas (10 ms - 1 s). Sin embargo, la necesidad de altos voltajes se convierte rápidamente en el factor limitante en las posibles aplicaciones prácticas. Además, estos sistemas a menudo exhiben corrientes de fuga, tienden a tener fallas eléctricas (la falla dieléctrica sigue las estadísticas de Weibull, por lo tanto, la probabilidad aumenta con el área aumentada del electrodo [16] ) y requieren pre-deformación para la mayor deformación. [17] Algunas de las nuevas investigaciones muestran que hay formas de superar algunas de estas desventajas, como se muestra, por ejemplo, en los actuadores Peano-HASEL, que incorporan dieléctricos líquidos y componentes de capa delgada. Este enfoque reduce el voltaje aplicado necesario, así como también permite la autocuración durante una falla eléctrica. [18] [19]

Térmico

  • Los polímeros con memoria de forma (SMP) son materiales inteligentes y reconfigurables que sirven como un excelente ejemplo de actuadores térmicos que se pueden utilizar para la actuación. Estos materiales "recordarán" su forma original y volverán a ella cuando aumente la temperatura. Por ejemplo, los polímeros reticulados se pueden filtrar a temperaturas superiores a su transición vítrea (T g ) o transición de fusión (T m ) y luego enfriarse. Cuando la temperatura vuelva a aumentar, la tensión se liberará y la forma de los materiales volverá a ser la original. [20] Por supuesto, esto sugiere que solo hay un movimiento irreversible, pero se ha demostrado que los materiales tienen hasta 5 formas temporales. [21] Uno de los ejemplos más simples y más conocidos de polímeros con memoria de forma es un juguete llamado Shrinky Dinks que está hecho de una lámina de poliestireno (PS) preestirada que se puede usar para recortar formas que se encogen significativamente cuando se calienta. Los actuadores producidos con estos materiales pueden alcanzar deformaciones de hasta 1000% [22] y han demostrado un amplio rango de densidad de energía entre <50 kJ m −3 y hasta 2 MJ m −3 . [23] Las desventajas definidas de los SMP incluyen su respuesta lenta (> 10 s) y la baja fuerza generada. [17] Ejemplos de SMP incluyen poliuretano (PU), teraftalato de polietileno (PET), óxido de polietileno (PEO) y otros.
  • Las aleaciones con memoria de forma están detrás de otro sistema de control para la actuación robótica suave. [24] Aunque están hechos de metal, un material tradicionalmente rígido, los resortes están hechos de alambres muy delgados y son tan compatibles como otros materiales blandos. Estos resortes tienen una relación fuerza-masa muy alta, pero se estiran mediante la aplicación de calor, que es ineficiente en términos de energía. [25]

Diferencia de presión

  • Los músculos artificiales neumáticos , otro método de control utilizado en robots blandos, se basa en cambiar la presión dentro de un tubo flexible. De esta manera actuará como un músculo, contrayéndose y extendiéndose, aplicando así fuerza a lo que está adherido. Mediante el uso de válvulas, el robot puede mantener una forma determinada utilizando estos músculos sin aporte de energía adicional. Sin embargo, este método generalmente requiere una fuente externa de aire comprimido para funcionar. El controlador proporcional integral derivado (PID) es el algoritmo más utilizado para los músculos neumáticos. La respuesta dinámica de los músculos neumáticos se puede modular ajustando los parámetros del controlador PID. [26]

Los sensores son uno de los componentes más importantes de los robots. Sin sorpresa, los robots blandos idealmente usan sensores blandos. Los sensores blandos generalmente pueden medir la deformación, infiriendo así sobre la posición o rigidez del robot.

A continuación, se muestran algunos ejemplos de sensores blandos:

  • Sensores de estiramiento suave
  • Sensores de flexión suave
  • Sensores de presión suave
  • Sensores de fuerza suave

Estos sensores se basan en medidas de:

  • Piezorresistividad:
    • polímero lleno de partículas conductoras, [27]
    • Vías de microfluidos (metal líquido, [28] solución iónica [29] ),
  • Piezoelectricidad, [30] [31]
  • Capacitancia, [32] [33]
  • Campos magnéticos, [34] [35]
  • Pérdida óptica, [36] [37] [38]
  • Pérdida acústica. [39]

Estas medidas se pueden introducir luego en un sistema de control .

Asistencia quirúrgica

Los robots blandos se pueden implementar en la profesión médica, específicamente para cirugía invasiva . Se pueden fabricar robots blandos para ayudar a las cirugías debido a sus propiedades de cambio de forma. El cambio de forma es importante ya que un robot blando podría navegar por diferentes estructuras del cuerpo humano ajustando su forma. Esto podría lograrse mediante el uso de actuación fluídica. [40]

Exotrajes

Los robots blandos también se pueden utilizar para la creación de exotrajes flexibles, para la rehabilitación de pacientes, para ayudar a los ancianos o simplemente para mejorar la fuerza del usuario. Un equipo de Harvard creó un exotraje utilizando estos materiales para brindar las ventajas de la resistencia adicional que proporciona un exotraje, sin las desventajas que conlleva la forma en que los materiales rígidos restringen el movimiento natural de una persona. Los exotrajes son armazones de metal equipados con músculos motorizados para multiplicar la fuerza del usuario. También llamados exoesqueletos, el armazón metálico de los trajes robóticos refleja de alguna manera la estructura esquelética interna del usuario.

El traje hace que los objetos levantados se sientan mucho más ligeros y, a veces, incluso ingrávidos, lo que reduce las lesiones y mejora el cumplimiento. [41]

Robots colaborativos

Tradicionalmente, los robots de fabricación se han aislado de los trabajadores humanos debido a problemas de seguridad, ya que un robot rígido que choca con un humano podría provocar lesiones fácilmente debido al movimiento rápido del robot. Sin embargo, los robots blandos podrían trabajar junto a los humanos de forma segura, ya que en una colisión la naturaleza dócil del robot evitaría o minimizaría cualquier lesión potencial.

Bio-mimetismo

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Un video que muestra los robots blandos de aguas profundas parcialmente autónomos

Una aplicación de bio-mimetismo a través de la robótica suave es en la exploración espacial o oceánica. En la búsqueda de vida extraterrestre, los científicos necesitan saber más sobre los cuerpos de agua extraterrestres, ya que el agua es la fuente de vida en la Tierra. Se podrían usar robots blandos para imitar a las criaturas marinas que pueden maniobrar de manera eficiente a través del agua. Tal proyecto se intentó por un equipo de la Universidad de Cornell en 2015 con una beca a través de la NASA de Conceptos Avanzados innovadoras ‘s (CANI). [42] El equipo se propuso diseñar un robot blando que imitara una lamprea o una sepia en la forma en que se movía bajo el agua, con el fin de explorar de manera eficiente el océano debajo de la capa de hielo de la luna de Júpiter, Europa. Pero explorar un cuerpo de agua, especialmente uno en otro planeta, conlleva un conjunto único de desafíos mecánicos y materiales. En 2021, los científicos demostraron un robot blando autoalimentado bioinspirado para operaciones en aguas profundas que puede soportar la presión en la parte más profunda del océano en la Fosa de las Marianas . El robot presenta músculos y alas artificiales de materiales flexibles y electrónica distribuida dentro de su cuerpo de silicona. Podría usarse para exploración de aguas profundas y monitoreo ambiental . [43] [44] [45]

Fallo por fatiga por flexión

Los robots blandos, en particular los diseñados para imitar la vida, a menudo deben experimentar cargas cíclicas para moverse o realizar las tareas para las que fueron diseñados. Por ejemplo, en el caso del robot parecido a una lamprea o una sepia descrito anteriormente, el movimiento requeriría electrolizar el agua y encender el gas, provocando una rápida expansión para impulsar al robot hacia adelante. [42] Esta expansión y contracción repetitiva y explosiva crearía un ambiente de intensa carga cíclica en el material polimérico elegido. Un robot bajo el agua y / o en Europa sería casi imposible de reparar o reemplazar, por lo que se debe tener cuidado al elegir un material y un diseño que minimice la iniciación y propagación de las grietas por fatiga. En particular, se debe elegir un material con un límite de fatiga o una frecuencia de amplitud de tensión por encima de la cual la respuesta a la fatiga del polímero ya no depende de la frecuencia. [46]

Fracaso frágil cuando hace frío

En segundo lugar, debido a que los robots blandos están hechos de materiales altamente compatibles, se deben considerar los efectos de la temperatura. El límite elástico de un material tiende a disminuir con la temperatura, y en los materiales poliméricos este efecto es aún más extremo. [46] A temperatura ambiente y temperaturas más altas, las cadenas largas de muchos polímeros pueden estirarse y deslizarse unas sobre otras, evitando la concentración local de tensión en un área y haciendo que el material sea dúctil. [47] Pero la mayoría de los polímeros experimentan una temperatura de transición de dúctil a frágil [48] por debajo de la cual no hay suficiente energía térmica para que las cadenas largas respondan de esa manera dúctil, y la fractura es mucho más probable. De hecho, se cree que la tendencia de los materiales poliméricos a volverse quebradizos a temperaturas más frías es responsable del desastre del transbordador espacial Challenger , y debe tomarse muy en serio, especialmente para los robots blandos que se implementarán en medicina. Una temperatura de transición de dúctil a quebradizo no tiene por qué ser lo que uno podría considerar "fría" y, de hecho, es característica del material en sí, dependiendo de su cristalinidad, tenacidad, tamaño de grupo lateral (en el caso de polímeros) y otros factores. [48]

  • Robótica suave (SoRo)
  • Sección Soft Robotics de Frontiers in Robotics and AI

  • 2018 Robosoft, primera Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica Suave, 24-28 de abril de 2018, Livorno, Italia
  • 2017 IROS 2017 Workshop on Soft Morphological Design for Haptic Sensation, Interaction and Display, 24 de septiembre de 2017, Vancouver, BC, Canadá
  • 2016 Primer Desafío de Robótica Suave, 29 al 30 de abril, Livorno, Italia
  • Semana de Soft Robotics 2016, del 25 al 30 de abril, Livorno, Italia
  • 2015 "Soft Robotics: Actuación, Integración y Aplicaciones - Combinando perspectivas de investigación para un salto adelante en la tecnología de robótica suave" en ICRA2015, Seattle WA
  • 2014 Workshop on Advances on Soft Robotics, 2014 Robotics Science an Systems (RSS) Conference, Berkeley, CA, 13 de julio de 2014
  • 2013 Taller internacional sobre robótica blanda y computación morfológica, Monte Verità, 14-19 de julio de 2013
  • Escuela de verano de 2012 sobre robótica suave, Zúrich, del 18 al 22 de junio de 2012

El robot de Chris Atkeson que inspiró la creación de Baymax [49]

La película de Disney de 2014 Big Hero 6 presenta un robot blando, Baymax , originalmente diseñado para su uso en la industria de la salud . En la película, Baymax es retratado como un robot grande pero poco intimidante con un exterior de vinilo inflado que rodea un esqueleto mecánico. La base del concepto de Baymax proviene de la investigación de la vida real sobre aplicaciones de la robótica blanda en el campo de la salud, como el trabajo del roboticista Chris Atkeson en el Instituto de Robótica Carnegie Mellon . [50]

La película animada de Sony de 2018 Spider-Man: Into the Spider-Verse presenta una versión femenina del supervillano Doctor Octopus que utiliza tentáculos construidos con robótica suave para someter a sus enemigos.

  • Robótica blanda articulada
  • Octobot (robot)
  • Robótica bioinspirada
  • Biónica
  • Biorrobótica
  • Robot casero
  • Materiales robóticos
  • Robótica de crecimiento suave

  • Soft Robot - Una revisión (Elveflow)
  • Actuadores de elastómero dieléctrico (softroboticstoolkit.com)
  • Actuadores HEASEL: músculos blandos (nextbigfuture.com).

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