Los ingenieros del MIT desarrollaron un robot de salto del tamaño de un insecto que puede atravesar terrenos desafiantes y transportar cargas pesadas.
Los robots a escala de insectos pueden meterse en lugares donde sus contrapartes más grandes pueden ir, como en lo profundo de un edificio derrumbado para buscar sobrevivientes después de un terremoto.
Sin embargo, a medida que se mueven a través de los escombros, pequeños robots que se arrastran pueden encontrar obstáculos altos sobre los que pueden trepar o superficies inclinadas que deslizarán hacia abajo. Si bien los robots aéreos podrían evitar estos peligros, la cantidad de energía requerida para el vuelo limitaría severamente hasta qué punto el robot puede viajar a los restos antes de que necesite regresar a la base y recargarse.
Para obtener lo mejor de ambos métodos de locomoción, los investigadores del MIT desarrollaron un robot de salto que puede saltar sobre obstáculos altos y saltar a través de superficies inclinadas o irregulares, mientras usa mucha menos energía que un robot aéreo.
El robot de salto, que es más pequeño que un pulgar humano y pesa menos que un clip, tiene una pierna elástica que lo impulsa desde el suelo, y cuatro módulos de aleteo que le dan elevación y control de su orientación.
El robot puede saltar unos 20 centímetros en el aire, o cuatro veces su altura, a una velocidad lateral de unos 30 centímetros por segundo, y no tiene problemas para saltar a través del hielo, las superficies húmedas y el suelo irregular, o incluso en un avión no tripulado. Todo el tiempo, el robot de salto consume alrededor de un 60 por ciento menos de energía que su primo volador.
Debido a su peso ligero y durabilidad, y la eficiencia energética del proceso de salto, el robot podría transportar aproximadamente 10 veces más carga útil que un robot aéreo de tamaño similar, abriendo la puerta a muchas aplicaciones nuevas.
“Ser capaz de poner baterías, circuitos y sensores a bordo se ha vuelto mucho más factible con un robot de salto que con uno volador. Nuestra esperanza es que algún día este robot pueda salir del laboratorio y ser útil en escenarios del mundo real, dice Yi-Hsuan (Nemo) Hsiao, un estudiante graduado del MIT y coautor principal de un artículo sobre el robot saltando.
A Hsiao se unen en el documento los autores co-líderes Songnan Bai, profesor asistente de investigación en la Universidad de Hong Kong; y Zhongtao Guan, un estudiante graduado entrante del MIT que completó este trabajo como estudiante visitante; así como Suhan Kim y Zhijian Ren del MIT; y los autores principales Pakpong Chirarattananon, profesor asociado de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong; y Kevin Chen profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT y jefe del Laboratorio de Robótica Suave y Micro dentro del Laboratorio de Investigación de Electrónica. La investigación aparece hoy en Avances Científicos.
Maximizando la eficiencia
El salto es común entre los insectos, desde pulgas que saltan a nuevos anfitriones hasta saltamontes que se unían alrededor de un prado. Si bien el salto es menos común entre los robots a escala de insectos, que generalmente vuelan o se arrastran, el salto ofrece muchas ventajas para la eficiencia energética.
Cuando un robot salta, transforma la energía potencial, que proviene de su altura del suelo, en energía cinética a medida que cae. Esta energía cinética se transforma de nuevo en energía potencial cuando golpea el suelo, luego de nuevo a la cinética a medida que se eleva, y así sucesivamente.
Para maximizar la eficiencia de este proceso, el robot MIT está equipado con una pierna elástica hecha de un resorte de compresión, que es similar al resorte en un bolígrafo de clic. Este resorte convierte la velocidad de rotación hacia abajo en velocidad hacia arriba cuando golpea el suelo.
“Si tienes un resorte ideal, tu robot puede saltar sin perder energía. Pero como nuestra primavera no es del todo ideal, utilizamos los módulos de aleteo para compensar la pequeña cantidad de energía que pierde cuando hace contacto con el suelo, explica Hsiao.
A medida que el robot rebota en el aire, las alas aleteadas proporcionan elevación, al tiempo que aseguran que el robot permanezca en posición vertical y tenga la orientación correcta para su próximo salto. Sus cuatro mecanismos de aleteo están impulsados por actuadores blandos, o músculos artificiales, que son lo suficientemente duraderos como para soportar impactos repetidos con el suelo sin dañarse.
“Hemos estado usando el mismo robot para toda esta serie de experimentos, y nunca necesitábamos detenerlo y arreglarlo, añade” Hsiao.
La clave para el rendimiento de las robots es un mecanismo de control rápido que determina cómo debe orientarse el robot para su próximo salto. La detección se realiza utilizando un sistema de seguimiento de movimiento externo, y un algoritmo de observador calcula la información de control necesaria utilizando mediciones de sensores.
A medida que el robot salta, sigue una trayectoria balística, arqueándose por el aire. En el pico de esa trayectoria, estima su posición de aterrizaje. Luego, en función de su punto de aterrizaje objetivo, el controlador calcula la velocidad de despegue deseada para el siguiente salto. Mientras está en el aire, el robot aletea sus alas para ajustar su orientación para que golpee el suelo con el ángulo y el eje correctos para moverse en la dirección correcta y a la velocidad correcta.
Durabilidad y flexibilidad
Los investigadores pusieron a prueba el robot de salto y su mecanismo de control en una variedad de superficies, que incluyen hierba, hielo, vidrio húmedo y suelo desigual — atravesó con éxito todas las superficies. El robot incluso podía saltar sobre una superficie que se inclinaba dinámicamente.
“El robot realmente no se preocupa por el ángulo de la superficie en la que está aterrizando. Mientras no se resbale cuando toque el suelo, estará bien, dice Hsiao.
Dado que el controlador puede manejar múltiples terrenos, el robot puede pasar fácilmente de una superficie a otra sin perder el ritmo.
Por ejemplo, saltar a través del césped requiere más empuje que saltar a través del vidrio, ya que las hojas de césped causan un efecto de amortiguación que reduce su altura de salto. El controlador puede bombear más energía a las alas de los robots durante su fase aérea para compensar.
Debido a su pequeño tamaño y peso ligero, el robot tiene un momento de inercia aún menor, lo que lo hace más ágil que un robot más grande y más capaz de soportar colisiones.
Los investigadores mostraron su agilidad al demostrar volteretas acrobáticas. El robot de peso pluma también podría saltar a un dron en el aire sin dañar ninguno de los dispositivos, lo que podría ser útil en tareas de colaboración.
Además, mientras que el equipo demostró un robot de salto que llevaba el doble de su peso, la carga útil máxima puede ser mucho mayor. Agregar más peso no perjudica la eficiencia de las robots. Más bien, la eficiencia del resorte es el factor más importante que limita cuánto puede transportar el robot.
En el futuro, los investigadores planean aprovechar su capacidad para transportar cargas pesadas instalando baterías, sensores y otros circuitos en el robot, con la esperanza de permitirle saltar de forma autónoma fuera del laboratorio.
“Los robots multimodales (aquellos que combinan múltiples estrategias de movimiento) son generalmente desafiantes y particularmente impresionantes a una escala tan pequeña. La versatilidad de este pequeño robot multimodal — volteando, saltando sobre terreno áspero o en movimiento, e incluso otro robot — lo hace aún más impresionante,” dice Justin Yim, profesor asistente en la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne, que no participó en este trabajo. “El salto continuo que se muestra en esta investigación permite una locomoción ágil y eficiente en entornos con muchos obstáculos grandes.”
Esta investigación es financiada, en parte, por los Estados Unidos. National Science Foundation y el programa MIT MISTI. Chirarattananon fue apoyado por el Consejo de Subvenciones de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong de China. Hsiao es apoyado por una Beca MathWorks, y Kim es apoyado por una Beca Zakhartchenko.
MIT News. Z. A. Traducido al español
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