En los últimos años, gracias al avance de la ciencia de los materiales, los resultados de la investigación sobre robots blandos han sido notables. En comparación con los robots rígidos tradicionales, el diseño de los robots blandos se inspira en sistemas biológicos de la naturaleza, como gusanos, pulpos, gecos y ranas. Estas criaturas utilizan materiales blandos y elásticos para demostrar una locomoción excepcional en entornos complejos. Sin embargo, en la práctica, los robots blandos dependen de energía externa o de accionamiento y están conectados mediante cables físicos, lo que limita su alcance. Además, el peso de los actuadores blandos tradicionales, como los actuadores de red neumática (pneu-nets), se ha convertido en un factor clave que limita su funcionamiento sin restricciones.

Para resolver este problema, el actuador suave FiBa (globo de película) desarrollado por el equipo del profesor MICHINAO HASHIMOTO y colaboradores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) ha aportado nuevos avances en el campo de los robots blandos.

El 17 de julio de 2024, los resultados de la investigación se publicaron en la revista Science Robotics bajo el título "Arrastrarse, trepar, posarse y volar mediante robots blandos FiBa".

El actuador suave FiBa está diseñado con silicona Dragon Skin 30 y película de polímero con curvatura lateral.

El actuador blando FiBa adopta un diseño estructural único que combina un globo neumático impreso en 3D con una película de polímero con curvatura lateral. La ventaja de este diseño es que reduce eficazmente el peso del actuador, conservando sus características multifuncionales, lo que permite un funcionamiento sin ataduras.

En comparación con los materiales tradicionales de caucho de silicona, los actuadores FiBa utilizan silicona Dragon Skin 30, con un módulo elástico más alto (aproximadamente 593 kPa), lo que proporciona una mayor capacidad de accionamiento sin añadir demasiado peso. Este alto módulo elástico permite que, con el mismo volumen, la silicona Dragon Skin 30 genere una mayor presión interna, mejorando así la flexión y el accionamiento del actuador.

Otro componente clave del actuador FiBa es una película de polímero con curvatura lateral. Este material no solo es ligero, sino que también ofrece buena flexibilidad y plasticidad. Gracias al diseño de curvatura lateral, se mejora la rigidez local de la película, lo que permite la flexión direccional al inflarse y recupera rápidamente su forma original tras el desinflado. Los investigadores afirmaron que, gracias al diseño de curvatura lateral, las propiedades de flexión de la película de polímero mejoran significativamente, mejorando así el rendimiento general y la fiabilidad del actuador.

Cabe mencionar que los materiales tradicionales de película plana tienden a torcerse y doblarse irregularmente al ser sometidos a fuerzas externas. Al incorporar el diseño de curvatura lateral, se mejoran las características de flexión de la película. Al inflar el globo, la película se dobla a lo largo de la dirección de curvatura preestablecida, generando así una fuerza impulsora estable. Esta característica de flexión direccional no solo mejora la precisión de control del actuador, sino que también prolonga su vida útil.

El diseño de curvatura lateral también contribuye a mejorar la fiabilidad estructural y la durabilidad del actuador. Durante el proceso de desinflado, la película recupera rápidamente su forma original, evitando la degradación del rendimiento y los daños estructurales causados ​​por la deformación a largo plazo. Además, al optimizar los parámetros de curvatura y el espesor de la película, el ángulo de flexión y la fuerza de accionamiento del actuador se pueden ajustar aún más para satisfacer las necesidades de diferentes aplicaciones.

En cuanto al diseño, el actuador FiBa adopta un enfoque modular, que incluye el módulo de flexión FiBa y el módulo de viga de rigidez variable FiBa. Gracias a este diseño modular, los investigadores pueden prototipar rápidamente el actuador y realizar una optimización iterativa. Diferentes módulos pueden combinarse para crear actuadores de diversas formas y funciones que satisfagan las necesidades de diferentes escenarios de aplicación. Esta capacidad de prototipado rápido no solo acelera el ciclo de desarrollo del producto, sino que también reduce los riesgos de costes.

La estructura modular del actuador FiBa también es altamente personalizable. Al ajustar el número, la disposición y el tamaño de los módulos, los investigadores pueden adaptar el actuador a diferentes entornos y tareas. Por ejemplo, en un robot trepador, la capacidad de trepar y la estabilidad del robot pueden mejorarse aumentando el número y la disposición de los módulos de agarre y flexión.

Para lograr un funcionamiento sin restricciones, el actuador FiBa también integra componentes electrónicos como bombas neumáticas, válvulas, baterías y placas de control. Al seleccionar los componentes electrónicos, los investigadores priorizan su ligereza y alta eficiencia. Por ejemplo, el uso de microbombas y válvulas neumáticas puede reducir el peso total del sistema, mientras que el uso de baterías y placas de control de alto rendimiento puede mejorar la eficiencia energética y la estabilidad del sistema. Los componentes electrónicos ligeros permiten que el actuador FiBa funcione de forma estable durante un largo periodo de tiempo en un entorno sin restricciones.

En términos de integración, los investigadores reducen la interferencia de señales y la pérdida de energía al optimizar el diseño y la conexión de los componentes electrónicos, y mejoran la confiabilidad y seguridad del sistema al agregar diseño redundante y funciones de diagnóstico de fallas.

▍Discusión sobre cuatro formas de robots blandos FiBa y escenarios de aterrizaje

Para verificar el rendimiento y la versatilidad de los actuadores FiBa, el equipo de investigación demostró con éxito cuatro modos de movimiento biónico sin restricciones, a saber, gatear inspirado en las tortugas, trepar inspirado en las orugas, posarse inspirado en los murciélagos y volar inspirado en las mariquitas.

El robot gateante, inspirado en una tortuga, utiliza cuatro módulos de flexión de FiBa a modo de "aletas" para simular las extremidades anteriores de la tortuga y propulsarlo hacia adelante, simulando su movimiento en tierra. Estos módulos se combinan con globos neumáticos impresos en 3D mediante películas de polímero curvadas transversalmente para lograr movimientos de flexión ligeros y eficientes. El robot también está equipado con un módulo actuador de elevación para ajustar la altura del fuselaje cuando sea necesario para adaptarse a diferentes condiciones del terreno.

En cuanto a los escenarios de aplicación, tras desastres naturales como terremotos y tsunamis, suelen aparecer numerosos huecos estrechos en las ruinas, difíciles de acceder para los robots rígidos tradicionales. Sin embargo, este robot rastreador puede atravesarlos fácilmente, transportar equipos como detectores de vida, buscar personas atrapadas y transmitir la situación in situ a los rescatistas en tiempo real mediante comunicación inalámbrica, lo que mejora considerablemente la eficiencia del rescate.

El robot trepador, inspirado en la oruga, utiliza el módulo de flexión FiBa y el módulo de agarre para trepar verticalmente simulando el movimiento de reptación de la oruga. El módulo de agarre se ajusta firmemente a la superficie de escalada mediante un globo de silicona inflado para proporcionar suficiente soporte. Al mismo tiempo, el módulo de flexión FiBa impulsa al robot a desplazarse por la superficie de escalada para lograr un ascenso estable.

En el ámbito industrial, este robot trepador se puede utilizar para la inspección y el mantenimiento de tuberías verticales, puentes y muros exteriores de edificios de gran altura. Está equipado con cámaras de alta definición, cámaras termográficas infrarrojas y otros equipos para realizar inspecciones detalladas de la superficie de la estructura, detectar rápidamente posibles riesgos de seguridad y reducir los riesgos y costos de las inspecciones manuales. Este robot trepador también es eficaz en la inspección de infraestructuras como líneas eléctricas y torres de comunicación. Puede ascender rápidamente por postes de servicios públicos o torres de comunicación para inspeccionar aisladores de líneas, conectores de torres, etc., mejorando la eficiencia y la precisión de la inspección.

El robot de posado, inspirado en murciélagos, utiliza módulos FiBa para construir una pinza ligera de cuatro dedos que simula la forma en que los murciélagos se posan boca abajo en las ramas. La estructura neumática del interior de la pinza genera una gran fuerza de agarre tras el inflado, lo que permite al robot posarse de forma estable en soportes como ramas y postes.

En cuanto a su aplicación, la instalación de este robot de posado en un dron puede prolongar significativamente su tiempo de vuelo. Durante la misión, el dron puede posarse en un soporte para ahorrar energía y despegar de nuevo al continuar la misión, reduciendo así los costos energéticos y ampliando su campo de aplicación. En operaciones de campo como la exploración geológica y los estudios forestales, el robot de posado puede utilizarse como plataforma de apoyo temporal. Tras completar la misión, el dron puede posarse cerca para recargarse o esperar nuevas instrucciones, mejorando así la eficiencia operativa y la seguridad.

El robot volador, inspirado en una mariquita, utiliza módulos de viga de rigidez variable FiBa como componentes estructurales principales del ala. Estos módulos generan la rigidez y resistencia necesarias para el vuelo una vez inflados, y se pliegan y enrollan fácilmente sin inflar para facilitar su transporte y almacenamiento. El robot también está equipado con un dispositivo de empuje y un sistema de control para lograr un vuelo autónomo y ajuste de actitud. En situaciones de emergencia, como desastres naturales, este robot volador puede responder con rapidez y precisión para entregar suministros urgentes, como alimentos y medicamentos, a la zona del desastre. Su diseño de ala plegable permite que el robot ocupe poco espacio durante el transporte, lo que facilita su despliegue a gran escala; mientras que su capacidad de vuelo autónomo garantiza la precisión y puntualidad en la entrega de materiales. En el ámbito del monitoreo ambiental, el robot volador puede transportar diversos sensores y equipos para realizar un monitoreo integral y recopilar datos sobre la calidad del aire y el agua, entre otros aspectos. Su capacidad de vuelo flexible y su amplio rango de monitoreo le permiten cubrir rápidamente grandes áreas y proporcionar datos precisos. Además, también se puede utilizar en el sector agrícola para el monitoreo de plagas y enfermedades y la evaluación del estado de crecimiento de los cultivos.

▍Conclusión y el futuro

La aparición de los actuadores blandos FiBa marca un gran avance en la tecnología de la robótica blanda. Gracias a la selección de materiales ligeros y la aplicación de un diseño modular, el actuador FiBa posee características ligeras y multifuncionales. Este diseño no solo resuelve el problema del peso de los robots blandos tradicionales, sino que también presenta una gran generalización en escenarios prácticos. En el futuro, los investigadores continuarán optimizando el diseño y las soluciones técnicas del actuador FiBa para mejorar su rendimiento y fiabilidad. Además, con el desarrollo de la tecnología de control inteligente y navegación autónoma, se espera que el robot blando FiBa tenga un rendimiento más inteligente en el futuro.