Robot elefante muestra cómo combinar tejidos blandos y rígidos en una sola estructura

El equipo dirigido por Josie Hughes en el Laboratorio de Diseño y Fabricación de Robots Computacionales (CREATE) ha logrado superar una de las limitaciones más importantes en robótica: replicar la interacción fluida entre tejidos blandos y rígidos que permite los movimientos complejos del reino animal.

"Utilizamos nuestra técnica de red programable para construir un robot elefante de inspiración musculoesquelética con una trompa blanda que puede girar, doblarse y rotar, así como articulaciones de cadera, rodilla y pie más rígidas", explica el investigador postdoctoral Qinghua Guan.

El desafío de replicar la diversidad musculoesquelética

La potente carrera de un guepardo, el ágil deslizamiento de una serpiente o el hábil agarre humano son posibles gracias a la interacción fluida entre músculos, tendones, ligamentos y huesos. Estos tejidos trabajan en conjunto para proporcionar la energía, precisión y amplitud de movimiento necesarias para realizar movimientos complejos.

Hasta ahora, replicar esta diversidad musculoesquelética en robótica ha sido extremadamente difícil. La impresión 3D con múltiples materiales ha sido la aproximación tradicional para crear robots blandos-rígidos, pero este enfoque presenta limitaciones significativas en el control continuo de propiedades como rigidez o resistencia a la carga.

Los métodos convencionales de fabricación robótica requieren múltiples materiales para lograr diferentes propiedades mecánicas, lo que complica el proceso de diseño y fabricación, además de limitar la transición suave entre diferentes tipos de tejido.

Estructura reticular programable con células variables

La innovación clave radica en una estructura reticular compuesta por unidades individuales (células) que pueden programarse para adoptar diferentes formas y posiciones. Estas células pueden configurarse en más de un millón de variaciones diferentes e incluso combinarse para producir infinitas variaciones geométricas.

El sistema utiliza dos tipos principales de células con diferentes geometrías: la célula cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y el cubo X. Al emplear cada tipo de célula para imprimir en 3D un tejido robótico, la red resultante presenta diferentes propiedades de rigidez, deformación y capacidad de carga.

El método permite imprimir redes compuestas por células híbridas cuya forma se encuentra en cualquier punto del espectro entre la BCC y el cubo X. "Este enfoque permite la combinación espacial continua de perfiles de rigidez y una gama infinita de celdas unitarias combinadas", afirma el estudiante de doctorado Benhui Dai.

La programación dual permite no solo modular la forma de cada célula, sino también su posición dentro de la red. Esta segunda dimensión permite rotar y desplazar cada célula a lo largo de su eje, e incluso superponerlas para crear combinaciones completamente nuevas.

Capacidades de configuración y aplicación en el robot elefante

Para dar una idea de la magnitud de las variaciones posibles, un cubo de red con cuatro células superpuestas puede generar alrededor de 4 millones de configuraciones posibles, con más de 75 millones de configuraciones para cinco células. Esta versatilidad permite replicar estructuras tan complejas como la trompa muscular de un elefante.

La capacidad de programación dual permitió la fabricación de diversos tipos de tejido con rangos de movimiento únicos, incluyendo una articulación de plano deslizante (presente en los huesos pequeños del pie), una articulación uniaxial de flexión (presente en la rodilla) y una articulación biaxial de flexión bidireccional (presente en los dedos).

El equipo logró replicar el complejo movimiento de la trompa muscular mediante la ingeniería de secciones reticulares separadas dedicadas a los movimientos de torsión, flexión y rotación, manteniendo transiciones suaves y continuas entre ellas.

El robot elefante resultante demuestra cómo una sola estructura puede integrar la flexibilidad necesaria para movimientos complejos de la trompa con la rigidez requerida para las articulaciones de soporte como caderas, rodillas y pies.

Implicaciones para la robótica futura

La estructura reticular ofrece múltiples ventajas para el desarrollo de robots futuros. "Al igual que el panal, la relación resistencia-peso de la retícula puede ser muy alta, lo que permite robots muy ligeros y eficientes", explica Hughes. "La estructura abierta de espuma es ideal para el movimiento en fluidos e incluso ofrece la posibilidad de incluir otros materiales, como sensores".

El método es resistente al agua y está preparado para la integración de sensores, lo que abre nuevas posibilidades para robots acuáticos y sistemas robóticos inteligentes. La capacidad de incorporar sensores directamente en la estructura de espuma podría dotar a los robots de mayor inteligencia y capacidad de respuesta.

Esta tecnología representa un paso significativo hacia robots más adaptativos y eficientes que podrían aplicarse en campos como la medicina, la exploración submarina, la manipulación de objetos delicados y la asistencia en entornos complejos donde se requiere tanto precisión como adaptabilidad.

El enfoque escalable desarrollado por EPFL podría revolucionar el diseño robótico al permitir la creación de sistemas increíblemente ligeros y adaptables que imiten más fielmente las capacidades del reino animal, abriendo nuevas fronteras en la biomimética robótica.

Fuente: Science Advances