Robótica suave
Soft Robotics es el subcampo específico de robótica que se ocupa de construir robots a partir de materiales altamente compatibles, similares a los que se encuentran en los organismos vivos.
La robótica suave 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 personas. Estas características permiten su uso potencial en los campos de la medicina y la fabricación.
Tipos y diseños
La mayor parte del campo de la robótica suave se basa en el diseño y la construcción de robots hechos completamente de materiales compatibles, con el resultado final similar a los invertebrados como los gusanos y pulpos. El movimiento de estos robots es difícil de modelar, ya que la mecánica del continuo se aplica a ellos, y a veces se los denomina robots continuos. Soft Robotics es el subcampo específico de robótica que se ocupa de construir robots a partir de materiales altamente compatibles, similares a los que se encuentran en los organismos vivos. De manera similar, la robótica suave también se basa en gran medida en la forma en que estos organismos vivos se mueven y se adaptan a su entorno. Esto permite a los científicos usar robots blandos para comprender los fenómenos biológicos mediante experimentos que no se pueden realizar fácilmente en las contrapartes biológicas originales. 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 personas. Estas características permiten su uso potencial en los campos de la medicina y la fabricación. Sin embargo, existen robots rígidos que también son capaces de deformaciones continuas, especialmente el robot de brazo de serpiente.
Además, ciertos mecanismos robóticos suaves pueden usarse como una pieza en un robot más grande y potencialmente rígido. Los efectores finales robóticos blandos existen para agarrar y manipular objetos, y tienen la ventaja de producir una fuerza baja que es buena para sostener objetos delicados sin romperlos.
Además, los robots híbridos suave-rígidos pueden construirse utilizando un marco rígido interno con exteriores blandos para mayor seguridad. El exterior suave puede ser multifuncional, ya que puede actuar como accionador del robot, similar a los músculos de los vertebrados y como relleno en caso de colisión con una persona.
Biomimetismo
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 a través del 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 suave y se puede emular para crear materiales adaptables a la presión mediante el uso de flujo de fluidos. La siguiente ecuación modela la tasa de cambio de volumen celular:
Este principio se ha aprovechado en la creación de sistemas de presión para robótica suave. Estos sistemas están compuestos de resinas blandas y contienen múltiples sacos de 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.
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 en la humedad.Cuando la atmósfera circundante tiene una humedad alta, las células de la planta se hinchan, pero cuando la atmósfera circundante tiene una humedad baja, las células de la planta se encogen. Este cambio de volumen se ha observado en granos de polen y escamas de piña.
Retos científicos
Según el grupo IEEE.org, estos desafíos son interdisciplinarios y algunos aún se consideran prospectivos; se refieren en particular a:
Las contribuciones de la biomimética. Una gran parte de los seres vivos está formada por seres blandos, y los órganos internos casi siempre lo son.
Métodos y herramientas (software) para modelar y simular «órganos robóticos blandos» (posiblemente «monobloques» impresos y complejos en 3D); Muchos robots tienen una forma que recuerda a los invertebrados, pero la robótica suave también puede contribuir a crear robots humanoides complejos.
estudios de materiales flexibles no convencionales (todavía en fase exploratoria);
el inventario jerárquico de materiales flexibles disponibles y útiles o convenientes para todas o parte de las aplicaciones robóticas (convencionales y futuras);
las mejores herramientas y métodos de fabricación y / o montaje de este tipo de robot;
la integración de sensores que deberían evolucionar hacia sensores «flexibles y extensibles» 7 (incluso para una posible capa fotovoltaica) en una estructura más o menos elástica y deformable;
una actuación revisada para adaptarse al robot blando, posiblemente «modular» y / o mejorando los sistemas de «adaptaciones pasivas» (ahorro de energía);
Auto-organización interna y capacidades de control distribuido.
Sistemas de control completamente revisados (cobóticos);
el prototipado, pruebas (incluido el envejecimiento);
refuerzo y un mejor intercambio de conocimientos y conocimientos tecnológicos en robótica flexible;
oportunidades para la «auto-reparación», en relación con problemas de resiliencia;
la autorreplicación;
Aplicaciones para una «robótica suave».
Especificidades robóticas
Un robot flexible interactúa de manera diferente con su entorno, ya que puede generar o sufrir deformaciones elásticas más o menos limitadas por su morfología, su tamaño, el grado de elasticidad y la coherencia de su estructura.
Es a menudo, pero no necesariamente, biomimético (o bioinspirado) y siempre se caracteriza por el uso de materiales específicos.
Sus actuadores son en parte diferentes o adaptados.
Tienen desventajas y ventajas sobre los robots rígidos.
Desventajas
El campo de la robótica suave sigue siendo muy emergente. Se ha probado solo por unos pocos prototipos. No hay o hay pocos repuestos o robots blandos comercializados, y R & amp; La financiación D todavía está orientada preferentemente hacia la robótica clásica;
el comportamiento de los materiales blandos (y las estructuras flexibles, especialmente cuando son complejos) es mucho más difícil de modelar que los materiales duros y, por lo tanto, más difícil de controlar y operar;
Algunos de los materiales blandos que los constituyen son vulnerables a ciertas agresiones externas (aunque en algunos casos el carácter «blando» también permite absorber la energía de los golpes o los efectos de la «perforación» y proteger al robot.
Ventajas
las estructuras deformables permiten que un robot blando se adapte mejor a ciertas circunstancias o tareas dinámicas, incluso en un entorno incierto (por ejemplo, desplazamiento en un fluido con alta turbulencia, locomoción en un terreno irregular y desconocido, acción del objeto de agarre de la forma, peso y fragilidad desconocida) ) … o en contacto con un ser vivo o un órgano (en el caso de un robot quirúrgico o industrial);
el rápido avance de la inyección de elastómeros, y luego de la impresión 3D de ciertos elastómeros hace posible moldear (y hoy imprimir) mezclas de polímeros elásticos, de diferente elasticidad, que abren nuevas posibilidades; Parece incluso posible en un futuro próximo asociar polímeros sintéticos con biopolímeros o con células vivas;
Algunos materiales blandos y elásticos tienen un interés energético: por ejemplo, los materiales de cambio de fase, las estructuras deformables (por ejemplo, los resortes) o la memoria de forma o la integración de un gas comprimido también pueden almacenar y liberar teóricamente cierta cantidad de energía. Esta energía se puede utilizar para los movimientos y cambios de forma del robot y / o se puede movilizar para otras tareas;
Después de haber sido desgarrado, perforado o ligeramente dañado, ciertos elastómeros formados por redes covalentes termorreversibles (los llamados «polímeros Diels-Alder» o «polímeros Diels-Alder» para hablantes de inglés) pueden (simplemente calentarse un poco y luego enfriarse) reensamblar De este modo se hacen posibles envolturas u órganos robustos capaces de autocuración. Las pruebas publicadas en 2017 por Science Robotics muestran que los materiales pueden repararse después de los cortes y luego retroceder a pesar de que algunas cicatrices alcanzan un rendimiento casi completo incluso después de dos ciclos de reparación / curación. Esto ha sido probado con éxito para tres actuadores neumáticos robóticos flexibles (fórceps flexibles, mano y músculos artificiales) autocurándose después de lesiones por perforación, desgarro o golpes en el polímero en cuestión;
La robótica suave a menudo es mucho menos costosa que las partes difíciles de los robots «clásicos».
Fabricación
Las técnicas de fabricación convencionales, como las técnicas sustractivas como la perforación y el fresado, no son útiles cuando se trata de construir robots blandos, ya que estos robots tienen formas complejas con cuerpos deformables. Por lo tanto, se han desarrollado técnicas de fabricación más avanzadas. Entre ellos se incluyen Shape Deposition Manufacturing (SDM), el proceso de Microestructura Compuesta Inteligente (SCM) y la impresión multimaterial 3D.
SDM es un tipo de creación rápida de prototipos en el que la deposición y el mecanizado se producen cíclicamente. Esencialmente, se deposita un material, se mecaniza, se incrusta una estructura deseada, se deposita un soporte para dicha estructura, y luego se mecaniza más el producto hasta una forma final que incluye el material depositado y la parte incrustada. El hardware integrado incluye circuitos, sensores y actuadores, y los científicos han integrado con éxito controles dentro de los materiales poliméricos para crear robots blandos, como el Stickybot y el iSprawl.
SCM es un proceso mediante el cual se combinan cuerpos rígidos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) con ligamentos de polímeros flexibles. El polímero flexible actúa como uniones para el esqueleto. Con este proceso, se crea una estructura integrada de los ligamentos de polímero y CFRP mediante el uso del mecanizado por láser seguido de la laminación. Este proceso de 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 pasadores.
Ahora se puede utilizar la impresión 3D para imprimir una amplia gama de tintas de silicona utilizando Robocasting, también conocida como escritura directa de tinta (DIW). Esta ruta de fabricación permite una producción sin costura 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 bioinspirados programables. Se ha impreso una amplia gama de softrobots completamente funcionales utilizando este método, que incluye doblar, torcer, agarrar y contraer el movimiento. Esta técnica evita algunos de los inconvenientes de las rutas de fabricación convencionales, como la delaminación entre las partes pegadas. Otro método de fabricación aditiva que produce materiales de transformación de forma cuya forma es fotosensible, se activa térmicamente o responde al agua. Esencialmente, estos polímeros pueden cambiar de forma automáticamente al interactuar con el agua, la luz o el calor. Un ejemplo de este tipo de material de forma se creó a través del uso de la impresión por chorro de tinta reactiva a la luz sobre un objetivo de poliestireno. Además, los polímeros con memoria de forma han sido prototipados rápidamente y 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 la bisagra. Esto permite la deformación del material de la bisagra, mientras que no afecta el material del esqueleto. Además, este polímero puede reformarse continuamente mediante calentamiento.
Controlar
Todos los robots blandos requieren algún sistema para generar fuerzas de reacción, para permitir que el robot se mueva e interactúe con su entorno. Debido a la naturaleza compatible de estos robots, este sistema debe poder mover el robot sin el uso de materiales rígidos para que actúen como los huesos de los organismos, o el marco metálico de los robots rígidos. Sin embargo, existen varias soluciones a este problema de ingeniería que han encontrado uso, cada una con ventajas y desventajas.
Uno de estos sistemas utiliza Actuadores Elastoméricos Dieléctricos (DEA), materiales que cambian de forma a través de la aplicación de un campo eléctrico de alto voltaje. Estos materiales pueden producir altas fuerzas y tienen una alta potencia específica (W / kg). Sin embargo, estos materiales son más adecuados para aplicaciones en robots rígidos, ya que se vuelven ineficientes cuando no actúan sobre un esqueleto rígido. Además, los altos voltajes requeridos pueden convertirse en un factor limitante en las posibles aplicaciones prácticas para estos robots.
Otro sistema utiliza resortes de aleación de memoria de forma. Aunque están hechos de metal, un material tradicionalmente rígido, los resortes están hechos de alambres muy finos y son tan compatibles como otros materiales blandos. Estos resortes tienen una relación fuerza-masa muy alta, pero se extienden a través de la aplicación de calor, lo que es ineficiente en términos de energía.
Los músculos artificiales neumáticos son otro método utilizado para controlar robots blandos. Al cambiar la presión dentro de un tubo flexible, actuará como un músculo, se contrae y se extiende, y aplica fuerza a lo que está adherido. Mediante el uso de válvulas, el robot puede mantener una forma determinada utilizando estos músculos sin una aportación de energía adicional. Sin embargo, este método generalmente requiere una fuente externa de aire comprimido para funcionar.
Historia
De los relojes, los autómatas y los juguetes mecánicos se utilizan durante varias décadas varias formas de resortes y, a veces, de cuero, tejidos que forman conexiones flexibles o aire comprimido o elástico retorcido en un matraz como depósito de energía. Pero los polímeros necesarios para fabricar robots reales, fuertes y duraderos solo han estado disponibles durante algunas décadas.
Durante aproximadamente medio siglo, los robots industriales han sido rígidos y bastante adaptados a tareas rápidas y repetitivas. Algunas veces se usaron materiales más o menos flexibles o blandos en su construcción, pero a menudo tenían una importancia secundaria; estaban reservadas para cables móviles, líneas fluidas, chaquetas conjuntas, sistemas de vacío (para agarrar objetos frágiles, por ejemplo) o amortiguadores, etc. La ciencia ficción en cómics, novelas y películas ha popularizado a los robots a menudo tienen armaduras metálicas (o, a veces, muy humanoide, incluso con una piel sintética).
Desde 2009 hasta 2012, la aparición de siliconas técnicas, otros polímeros moldeables y materiales con memoria de forma hizo posible explorar nuevas vías. El uso de polímeros electroactivos y la posibilidad de poder producir sistemas musculares artificiales (incluidos los basados en hidrogel electroactivo), junto con la mejora regular del rendimiento de las impresoras 3D podrían, en particular en relación con el desarrollo de biomimeticsboost el desarrollo de una robótica suave que permite nuevas habilidades como compresión, estiramiento, torsión, hinchazón, transformación, etc. de una forma que sería imposible con elementos rígidos de la robótica clásica.
En 2013, en una conferencia internacional dedicada a la inteligencia artificial y en un artículo que resume su punto de vista, Rolf Pfeifer y sus colegas de la Universidad de Zurich presentan robots blandos y biomiméticos como la próxima generación de «máquinas inteligentes».
Los descubrimientos y demostraciones recientes también se han centrado (y por ejemplo) en:
«Robótica de gas» (que se centra en robots más ligeros que el aire)
el interés de los apéndices suaves y prensiles, como el cuerno de elefante o los tentáculos, posiblemente miniaturizados; en este caso, los hidrostatos musculares, a menudo compuestos casi por completo de tejido muscular y conectivo, pueden cambiar su forma si están presurizados por ósmosis, así como en ciertos órganos de plantas u hongos.
Un hilo de cuerda automática y altamente estirable (imitando el principio de las gotas que cubren las telarañas).
el uso de materiales simples, como granos de arena, que pueden «moldearse» a través del principio de «transición de atasco» para dar el equivalente de un fórceps robótico primero suave y envolvente, que luego puede endurecerse a voluntad
Materiales con memoria de forma.
compuestos de metal polímero iónico
Elastómeros dieléctricos (o DEs para elastómeros dieléctricos).
el uso de la impresión 3D, por ejemplo, para producir un robot de cuerpo blando sin batería o sin batería, donde un pequeño depósito de peróxido de hidrógeno sirve como fuente de gas (que se puede activar al poner el peróxido en contacto con un catalizador (platino)) de inflar una red de cámaras neumáticas impresas en 3D (por ejemplo, Octobot presentado en 2016).
Los pronosticadores esperan robots capaces de auto repararse, crecer, reciclarse o biodegradarse, y pueden configurar su morfología para diferentes tareas y / o entornos.
Algunos robots también esperan robots blandos (posiblemente microscópicos) (como una consecuencia lógica del cruce de la robótica suave y la miniaturización), pero otros como (Jay) Kim se preguntan por qué; ¿Existen razones convincentes o motivadoras para inventarlos?
Usos y aplicaciones
Los robots blandos pueden implementarse en la profesión médica, específicamente para cirugía invasiva. Se pueden hacer 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 suave podría navegar alrededor de diferentes estructuras en el cuerpo humano ajustando su forma. Esto podría lograrse mediante el uso de la actuación fluídica.
Los robots blandos también se pueden usar para la creación de trajes 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 exosuit utilizando estos materiales para brindar las ventajas de la resistencia adicional que brinda un exosuit, sin las desventajas que presenta la forma en que los materiales rígidos restringen el movimiento natural de una persona.
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 fácilmente causar lesiones debido al rápido movimiento del robot. Sin embargo, los robots blandos podrían trabajar con los humanos de forma segura, ya que, en caso de colisión, la naturaleza compatible del robot evitaría o minimizaría cualquier posible daño.
Revistas internacionales
Robótica suave (SoRo)
Soft Robotics sección de Frontiers in Robotics and AI
Eventos internacionales
Robosoft 2018, primera Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica Suave, 24-28 de abril de 2018, Livorno, Italia
2017 IROS 2017 Taller sobre diseño morfológico suave para la sensación, interacción y exhibición háptica, 24 de septiembre de 2017, Vancouver, BC, Canadá
2016 First Soft Robotics Challenge, 29–30 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
Taller 2014 sobre Avances en Soft Robotics, 2014 Conferencia de Robótica Ciencia y Sistemas (RSS), Berkeley, CA, 13 de julio de 2014
2013 Taller internacional sobre robótica suave y computación morfológica, Monte Verità, 14–19 de julio de 2013
Escuela de verano 2012 sobre robótica suave, Zurich, 18-22 de junio de 2012
En la cultura popular
La película de Disney 2014 Big Hero 6 giraba en torno a un robot blando, Baymax, originalmente diseñado para su uso en la industria de la salud. En la película, Baymax se presenta como un robot grande pero no 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 robótica suave en el campo de la salud, como el trabajo del robotista Chris Atkeson en el Instituto de Robótica de Carnegie Mellon.
Comunidad cientifica
Algunos elementos de los robots «clásicos» (industriales, militares, etc.) se han fabricado durante mucho tiempo con materiales blandos y algunas veces elásticos, pero la idea de los robots casi completamente «blandos» es reciente. Se asocia con la robótica clásica nuevos tipos de modelado y disciplinas que fueron solo ligeramente (química de polímeros en particular). Los principios de diseño y construcción en gran parte serán revisados.
A principios de 2010, una comunidad científica y técnica internacional se reunió alrededor de la idea de explorar las pistas abiertas por la robótica suave, con:
desde octubre de 2012, un comité técnico de IEEE RAS dedicado a la robótica suave (Comité técnico de IEEE RAS sobre robótica suave) cuya misión es coordinar a la comunidad de investigación;
desde 2014, se publica un periódico dedicado al robótico deformable cada tres meses.
En Francia, un equipo de investigación de INRIA lo ha convertido en su especialidad.
Innovación
Uno de los desafíos que se deben cumplir (incluida la reparación de robots flexibles) es tener pegamento flexible, elástico e impermeable. Esto parece estar a punto de ocurrir: a mediados de 2017, los físicos académicos han logrado producir en el laboratorio un pegamento de cianoacrilato altamente elástico que puede pegar sustancias duras y / o blandas (incluidos componentes electrónicos) a hidrogeles (materiales como «Geles» utilizados en ciertos dispositivos médicos y robots flexibles). Esto abre el camino para la creación de baterías y circuitos eléctricos verdaderamente elásticos y estirables. El cianoacrilato está asociado con un componente orgánico (que, sin ser un disolvente, se difunde rápidamente en la masa fundida para evitar que se vuelva quebradizo). Al momento de presionar el ajuste del adhesivo tarda unos segundos 29. La elasticidad puede alcanzar el 2000%.
En 2017, los investigadores lograron desarrollar el primer robot blando capaz de moverse sin un motor o sistema mecánico, una innovación que, utilizando aleaciones de memoria, abre muchas posibilidades tanto en la investigación aeroespacial como en la nanoscópica.