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ROBÓTICA Y AUTOMATIZACIÓN

Buscando la mayor agilidad en la robótica

04/10/2024

CATEGORíA: General MARCA: Escuela Técnica de Zúrich

Investigadores de ETH Zurich y del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes han desarrollado una pierna robótica con músculos artificiales, capaz de saltar a través de diferentes terrenos de una manera ágil y de manera eficiente.


Inventores e investigadores han estado desarrollando robots durante casi 70 años. Hasta la fecha, todas las máquinas que han construido, ya sea para fábricas o en otros lugares, han tenido una cosa en común: están alimentadas por motores, una tecnología que ya tiene 200 años. Incluso los robots caminantes cuentan con brazos y piernas que son alimentados por motores, no por músculos como en humanos y animales. Esto sugiere en parte por qué carecen de la movilidad y la adaptabilidad de los seres vivos.

 

Imagen: Thomas Buchner / ETH Zurich und Toshihiko Fukushima / Max-Planck-Institut fár Intelligente Systeme)

 

Una nueva pierna robótica alimentada por músculo no sólo es más eficiente energéticamente que una convencional, también puede realizar saltos altos y movimientos rápidos, así como detectar y reaccionar a los obstáculos sin necesidad de sensores complejos. La nueva etapa ha sido desarrollada por investigadores de ETH Zurich y el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) en una asociación de investigación llamada Max Planck ETH Center for Learning Systems, conocida como CLS. El equipo CLS fue dirigido por Robert Katzschmann, Soft Robotics Lab en ETH Zurich y Christoph Keplinger en MPI-IS. Sus estudiantes de doctorado Thomas Buchner y Toshihiko Fukushima son los primeros autores del equipo de publicaciones ha informado ahora sobre una etapa robótica musculoesquelética inspirada en animales en la revista Nature Communications.

 

Carga eléctrica como un globo

Como en humanos y animales, un extensor y un músculo flexor aseguran que la pierna robótica pueda moverse en ambas direcciones. Estos actuadores electrohidráulicos, que los investigadores llaman HASELs, están unidos al esqueleto por tendones.

Los actuadores son bolsas de plástico llenas de aceite, similares a las utilizadas para hacer cubos de hielo. Aproximadamente la mitad de cada bolsa está recubierta a cada lado con un electrodo negro hecho de un material conductor. Buchner explica que tan pronto como aplicamos un voltaje a los electrodos, se atraen entre sí debido a la electricidad estática. Del mismo modo, cuando me froto un globo contra mi cabeza, mi cabello se adhiere al globo debido a la misma electricidad estática. A medida que uno aumenta el voltaje, los electrodos se acercan y empujan el aceite en la bolsa a un lado, haciendo la bolsa en general más corta.

 

Los pares de estos actuadores unidos a un esqueleto resultan en los mismos movimientos musculares emparejados que en las criaturas vivas: a medida que se acorta un músculo, su contraparte se alarga. Los investigadores utilizan un código informático que se comunica con amplificadores de alto voltaje para controlar qué actuadores se contraen, y que se extienden.

 

Más eficiente que los motores eléctricos

Los investigadores compararon la eficiencia energética de su pierna robótica con la de una pierna robótica convencional alimentada por un motor eléctrico. Entre otras cosas, analizaron cuánta energía se convierte innecesariamente en calor. "En la imagen infrarroja, es fácil ver que la pierna motorizada consume mucha más energía si, digamos, tiene que mantener una posición doblada", dice Buchner. "La temperatura en la pierna electrohidráulica, en contraste, sigue siendo la misma. Esto se debe a que el músculo artificial es electrostático. Es como el ejemplo con el globo y el cabello, donde el cabello permanece pegado al globo durante mucho tiempo", añade Buchner.

"Típicamente, los robots eléctricos impulsados por el motor necesitan una gestión del calor que requiere lavabos de calor adicionales o ventiladores para difundir el calor al aire. Nuestro sistema no los requiere", dice Fukushima.

 

Movimiento ágil por terreno irregular

La capacidad de saltar de las piernas robóticas se basa en su capacidad de levantar su propio peso de forma explosiva. Los investigadores también demostraron que la pierna robótica tiene un alto grado de adaptabilidad, lo cual es particularmente importante para la robótica blanda. Sólo si el sistema musculoesquelético tiene suficiente elasticidad puede adaptarse de forma flexible al terreno en cuestión. No es diferente con las criaturas vivientes. Si no podemos doblar las rodillas, por ejemplo, caminar sobre una superficie desigual se vuelve mucho más difícil, dice Katzschmann. Sólo piensa en dar un paso abajo del pavimento en la carretera.

 

A diferencia de los motores eléctricos que requieren sensores para decir constantemente en qué ángulo se encuentra la pierna robótica, el músculo artificial se adapta a una posición adecuada a través de la interacción con el entorno. Esto es impulsado sólo por dos señales de entrada: una para doblar la articulación y otra para extenderla. Fukushima explica: "Adaptar el terreno es un aspecto clave. Cuando una persona aterriza después de saltar al aire, no tiene que pensar de antemano sobre si debe doblar sus rodillas en un ángulo de 90 grados o de 70 grados. El mismo principio se aplica al sistema musculoesquelético de la pierna robótica: al aterrizar, la articulación de la pierna se mueve adaptativamente hacia un ángulo adecuado dependiendo de si la superficie es dura o suave".

 

La tecnología emergente abre nuevas posibilidades

El campo de investigación de los actuadores electrohidráulicos es todavía joven, habiendo surgido hace sólo unos seis años. El campo de la robótica está progresando rápidamente con controles avanzados y aprendizaje automático; en contraste, ha habido mucho menos progreso con el hardware robótico, que es igualmente importante. Esta publicación es un poderoso recordatorio de cuánto potencial para la innovación disruptiva proviene de la introducción de nuevos conceptos de hardware, como el uso de músculos artificiales, dice Keplinger. Katzschmann añade que es poco probable que los actuadores electrohidráulicos se utilicen en maquinaria pesada en obras de construcción, pero sí ofrecen ventajas específicas sobre los motores eléctricos estándar. Esto es particularmente evidente en aplicaciones como las pinzas, donde los movimientos tienen que ser altamente personalizados dependiendo de si el objeto que se agarre es, por ejemplo, una bola, un huevo o un tomate.

 

Katzschmann tiene una reserva: "Comparado con robots andantes con motores eléctricos, nuestro sistema sigue siendo limitado. La pierna está actualmente unida a una varilla, salta en círculos y aún no se mueve libremente. El trabajo futuro debería superar estas limitaciones, abriendo la puerta a desarrollar robots de caminata reales con músculos artificiales. Detalla además: Si combinamos la pierna robótica en un robot cuádruple o un robot humanoide con dos piernas, tal vez un día, cuando esté alimentado con batería, podemos desplegarlo como un robot de rescate."

 

Más información en https://ethz.ch

Autora: Deborah Kyburz

 

 

 

 

 

 

 




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