Un nuevo "robot blando" se arrastra como una oruga mediante pliegues de origami
Ingenieros han combinado el arte de la papiroflexia y la ciencia de materiales moderna para crear un robot blando que se dobla, gatea y gira a través de laberintos con una facilidad asombrosa.
Por John Sullivan
El robot está hecho de segmentos que pueden plegarse formando un disco plano y extenderse hasta formar un cilindro. Los pliegues parciales doblan el robot y permiten el movimiento y la dirección. Cortesía: Frank Wojciechowski / Princeton University
Ingenieros de la Universidad de Princeton y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, ambas en Estados Unidos, han combinado el viejo arte de la papiroflexia u origami y la ciencia de materiales moderna para crear un robot blando que se dobla y gira a través de laberintos con facilidad.
Los llamados robots blandos —un tipo de robot hecho de materiales flexibles y elásticos, en lugar de los rígidos y duros que se usan en los robots tradicionales— pueden resultar difíciles de guiar, porque el equipo de dirección a menudo aumenta la rigidez del robot y reduce su flexibilidad. Pero el nuevo diseño supera esos problemas al incorporar el sistema de dirección directamente en el cuerpo del robot, según Tuo Zhao, investigador de la Universidad de Princeton.
En un artículo publicado en la revista PNAS, los investigadores describen cómo crearon el robot a partir de segmentos cilíndricos modulares. Los segmentos, que pueden funcionar de forma independiente o unirse para formar una unidad más larga, contribuyen a la capacidad del robot para moverse y dirigirse. El nuevo sistema permite al robot flexible avanzar y retroceder, recoger una carga y ensamblarse en formaciones más largas.
Como un solo robot o como un enjambre.
“El concepto de robots blandos modulares puede aportar ideas para futuros robots blandos que puedan crecer, repararse y desarrollar nuevas funciones”, escriben los autores en su artículo en PNAS.
Según Zhao, la capacidad del robot para ensamblarse y dividirse sobre la marcha permite que el sistema funcione como un solo robot o como un enjambre.
“Cada segmento puede ser una unidad individual, comunicarse entre sí y reunirse cuando se le ordene”, explica Zhao. Y añade—: Pueden separarse fácilmente, y utilizamos imanes para conectarlos”.
Zhao trabaja en el laboratorio de Glaucio Paulino, en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental y en el Instituto de Materiales de la Universidad de Princeton. Paulino es el impulsor de una serie de investigaciones que incorpora el origami en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería, desde dispositivos médicos hasta la industria aeroespacial y la construcción.
"Hemos creado un robot de origami modular suave, plug-and-play, de inspiración biológica, habilitado por accionamiento electrotérmico con calentadores altamente flexibles y adaptables— explicaPaulino. Y continúa—: Esta es una tecnología muy prometedora con potencial de traducción a robots que pueden crecer, curarse y adaptarse a demanda".
Tuo Zhao posa junto con patrones de origami utilizados en la investigación en robótica. Cortesía: Frank Wojciechowski
En este caso, los investigadores empezaron construyendo su robot a partir de segmentos cilíndricos con una forma de origami denominada patrón Kresling. El patrón permite que cada segmento se retuerza en un disco aplanado y se expanda de nuevo en un cilindro. Este movimiento de torsión y expansión es la base de la capacidad del robot para arrastrarse y cambiar de dirección.
Al doblar parcialmente una sección del cilindro, los investigadores pueden introducir una curvatura lateral en un segmento del robot. Combinando pequeñas curvas, el robot cambia de dirección a medida que avanza.
Uno de los aspectos más complicados del trabajo consistió en desarrollar un mecanismo para controlar los movimientos de flexión y plegado utilizados para impulsar y dirigir el robot. Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte desarrollaron la solución. Utilizaron dos materiales que se contraen o expanden de forma diferente cuando se calientan —elastómero de cristal líquido y poliimida— y los combinaron en finas tiras a lo largo de los pliegues del patrón Kresling.
Los ingenieros también instalaron a lo largo de cada pliegue un fino calentador extensible hecho de una red de nanocables de plata. La corriente eléctrica del calentador de nanocables calienta las tiras de control, y la diferente dilatación de los dos materiales introduce un pliegue en la tira. Calibrando la corriente y el material utilizado en las tiras de control, los investigadores pueden regular con precisión el plegado y la flexión para impulsar el movimiento y la dirección del robot.
“Los nanocables de plata son un material excelente para fabricar conductores extensibles. Estos son componentes básicos de diversos dispositivos electrónicos estirables, como los calentadores felxibles. Aquí utilizamos el calentador extensible como mecanismo de accionamiento para los movimientos de flexión y plegado— explica Yong Zhu, catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y uno de los investigadores principales del trabajo.
Shuang Wu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhu, nos recuerda que en un proyecto anterior del laboratorio se utilizó el calentador extensible para doblar continuamente una estructura bicapa. “En este trabajo logramos un plegado nítido y localizado para activar el patrón de origami. Este método de actuación eficaz se puede aplicar generalmente a estructuras de origami (con pliegues) para robótica blanda”, dice Wu.
Los investigadores advierten de que la versión actual del robot tiene una velocidad limitada, y adelantan que están trabajando para aumentar la locomoción en generaciones posteriores.
Por su parte, Zhao explica que también planean experimentar con diferentes formas, patrones e inestabilidad con el objetivo de mejorar tanto la velocidad como la dirección del robot.
Información facilitada por la School of Engineering and Applied Science -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Shuang Wu, Tuo Zhao, Yong Zhu and Glaucio H. Paulino. Modular multi-degree-of-freedom soft origami robots with reprogrammable electrothermal actuation. PNAS (2024). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2322625121
