Con un nuevo diseño, el robot del tamaño de un insecto pudo volar 100 veces más tiempo que las versiones anteriores.
Con un método más eficiente de polinización artificial, los agricultores del futuro podrían cultivar frutas y verduras dentro de almacenes de varios niveles, aumentando los rendimientos y mitigando algunos de los impactos nocivos de la agricultura sobre el medio ambiente.
Para ayudar a que esta idea se haga realidad, los investigadores del MIT están desarrollando insectos robóticos que algún día podrían salir enjambres de colmenas mecánicas para realizar una polinización rápida y precisa. Sin embargo, incluso los mejores robots del tamaño de un insecto no pueden competir con los polinizadores naturales como las abejas en lo que se refiere a resistencia, velocidad y maniobrabilidad.
Ahora, inspirados por la anatomía de estos polinizadores naturales, los investigadores han revisado su diseño para producir pequeños robots aéreos que son mucho más ágiles y duraderos que las versiones anteriores.
El nuevo diseño de estos diminutos robots aéreos es mucho más robusto y duradero que las versiones anteriores. Aquí, el robot se somete a una prueba de colisión.Crédito: Cortesía de los investigadores
Los nuevos robots pueden permanecer suspendidos en el aire durante unos 1.000 segundos, lo que supone más de 100 veces más tiempo que lo demostrado anteriormente. El insecto robótico, que pesa menos que un clip, puede volar significativamente más rápido que robots similares mientras realiza maniobras acrobáticas como volteretas dobles en el aire.
El robot renovado está diseñado para mejorar la precisión y la agilidad del vuelo mientras minimiza el estrés mecánico en las flexiones de sus alas artificiales, lo que permite maniobras más rápidas, mayor resistencia y una vida útil más larga.
El nuevo diseño también tiene suficiente espacio libre para que el robot pueda llevar pequeñas baterías o sensores, lo que podría permitirle volar por sí solo fuera del laboratorio.
“La cantidad de vuelo que demostramos en este artículo es probablemente mayor que la cantidad total de vuelo que nuestro campo ha podido acumular con estos insectos robóticos. Con la vida útil mejorada y la precisión de este robot, nos estamos acercando a algunas aplicaciones muy interesantes, como la polinización asistida”, dice Kevin Chen, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), jefe del Laboratorio de Robótica Blanda y Micro dentro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE), y autor principal de un artículo de acceso abierto sobre el nuevo diseño.
En el artículo, Chen está acompañado por los coautores principales Suhan Kim y Yi-Hsuan Hsiao, que son estudiantes de posgrado de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación (EECS), así como por el estudiante de posgrado de la EECS Zhijian Ren y el estudiante visitante de verano Jiashu Huang. La investigación aparece hoy en Science Robotics .
Mejorar el rendimiento
Las versiones anteriores del insecto robótico estaban compuestas por cuatro unidades idénticas, cada una con dos alas, combinadas en un dispositivo rectangular del tamaño de un microcassette.
“Pero no existe ningún insecto que tenga ocho alas. En nuestro diseño anterior, el rendimiento de cada unidad individual siempre era mejor que el del robot ensamblado”, afirma Chen.
Esta caída de rendimiento fue causada en parte por la disposición de las alas, que al aletear expulsaban aire entre sí, lo que reducía las fuerzas de sustentación que podían generar.
El nuevo diseño parte el robot por la mitad. Cada una de las cuatro unidades idénticas tiene ahora un ala batiente que apunta en dirección opuesta al centro del robot, lo que estabiliza las alas y aumenta su fuerza de sustentación. Con la mitad de alas, este diseño también libera espacio para que el robot pueda transportar componentes electrónicos.
El insecto robótico, que pesa menos que un clip, puede volar significativamente más rápido que robots similares mientras realiza maniobras acrobáticas como volteretas aéreas.Crédito: Cortesía de los investigadores
Además, los investigadores crearon transmisiones más complejas que conectan las alas a los actuadores, o músculos artificiales, que las mueven. Estas transmisiones duraderas, que requirieron el diseño de bisagras de alas más largas, reducen la tensión mecánica que limitaba la resistencia de las versiones anteriores.
“En comparación con el antiguo robot, ahora podemos generar un par de control tres veces mayor que antes, por lo que podemos realizar vuelos de búsqueda de trayectoria muy sofisticados y muy precisos”, afirma Chen.
Sin embargo, incluso con estas innovaciones de diseño, todavía hay una brecha entre los mejores insectos robóticos y los animales reales. Por ejemplo, una abeja tiene solo dos alas, pero puede realizar movimientos rápidos y muy controlados.
“Las alas de las abejas están controladas con gran precisión por un conjunto muy sofisticado de músculos. Ese nivel de ajuste es algo que realmente nos intriga, pero que aún no hemos podido reproducir”, afirma.
Menos tensión, más fuerza
El movimiento de las alas del robot está impulsado por músculos artificiales. Estos diminutos y suaves actuadores están hechos de capas de elastómero intercaladas entre dos electrodos de nanotubos de carbono muy finos y luego enrollados en un cilindro blando. Los actuadores se comprimen y alargan rápidamente, generando una fuerza mecánica que hace que las alas se muevan.
En los diseños anteriores, cuando los movimientos del actuador alcanzaban las frecuencias extremadamente altas necesarias para el vuelo, los dispositivos a menudo empezaban a doblarse, lo que reducía la potencia y la eficiencia del robot. Las nuevas transmisiones inhiben este movimiento de flexión y pandeo, lo que reduce la tensión en los músculos artificiales y les permite aplicar más fuerza para batir las alas.
Otro nuevo diseño incluye una bisagra de ala larga que reduce la tensión de torsión que se experimenta durante el movimiento de aleteo. Fabricar la bisagra, que mide unos 2 centímetros de largo pero solo 200 micrones de diámetro, fue uno de los mayores desafíos.
“Si hay un pequeño problema de alineación durante el proceso de fabricación, la bisagra del ala quedará inclinada en lugar de rectangular, lo que afecta la cinemática del ala”, afirma Chen.
Después de muchos intentos, los investigadores perfeccionaron un proceso de corte láser de varios pasos que les permitió fabricar con precisión cada bisagra del ala.
Con las cuatro unidades instaladas, el nuevo insecto robótico puede flotar durante más de 1.000 segundos, lo que equivale a casi 17 minutos, sin mostrar ninguna degradación en la precisión del vuelo.
“Cuando mi alumno Nemo realizó ese vuelo, dijo que habían sido los 1.000 segundos más lentos que había pasado en toda su vida. El experimento fue extremadamente estresante”, afirma Chen.
El nuevo robot también alcanzó una velocidad media de 35 centímetros por segundo, el vuelo más rápido que han registrado los investigadores, mientras realizaba volteretas y volteretas dobles. Incluso puede seguir con precisión una trayectoria que deletrea MIT.
“Al final, hemos demostrado un vuelo 100 veces más largo que el que cualquier otro en este campo ha sido capaz de hacer, por lo que este es un resultado extremadamente emocionante”, dice.
Desde aquí, Chen y sus estudiantes quieren ver hasta dónde pueden llevar este nuevo diseño, con el objetivo de lograr un vuelo de más de 10.000 segundos.
También quieren mejorar la precisión de los robots para que puedan aterrizar y despegar desde el centro de una flor. A largo plazo, los investigadores esperan instalar pequeñas baterías y sensores en los robots aéreos para que puedan volar y navegar fuera del laboratorio.
“Esta nueva plataforma robótica es un gran resultado de nuestro grupo y abre camino a muchas direcciones interesantes. Por ejemplo, la incorporación de sensores, baterías y capacidades informáticas en este robot será un objetivo central en los próximos tres a cinco años”, afirma Chen.
Esta investigación está financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y una beca Mathworks. MIT News. A. Z. Traducido al español
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