El milirobot parecía un adorable vehículo de dibujos animados mientras navegaba con pericia por un complejo laberinto. Es una criatura extraña: el fondo se asemeja a una valla derrumbada; la parte superior, una cesta con forma de colador. Del tamaño de un centavo, parece frágil y absolutamente modesto.
Pero en esencia hay un cambio de paradigma potencial para construir robots autónomos que puedan sentir y responder a su entorno local. A diferencia de los robots clásicos, que se ensamblan con múltiples componentes, el milirobot está impreso en 3D con un metamaterial de aspecto lechoso que puede cambiar sus propiedades de manera flexible con unos pocos golpes eléctricos.
Los metamateriales suenan como algo sacado de un cómic, pero el concepto es simple. A diferencia de la madera, el vidrio u otros materiales estáticos en los que confiamos fácilmente para mantener su estructura, los metamateriales utilizados en el estudio (materiales piezoeléctricos) cambian fácilmente su estructura cuando se ven afectados por un campo electromagnético. Esto permite que el material se tuerza, se contorsione, se encoja o se expanda. Traza cada movimiento y es posible construir y dirigir un robot.
Para construir el bot, el equipo diseñó una configuración de impresión 3D para imprimir estructuras robóticas utilizando materiales piezoeléctricos. Como complemento adicional, el equipo les dio a los bots un brillo de ultrasonido, incrustando componentes en el material, lo que ayudó a los bots a convertir las vibraciones en electricidad para detectar su entorno.
Los milibots aprendieron a caminar, saltar y escapar de obstáculos potenciales de forma autónoma en tiempo real. Incluso podrían hacer una mini caminata por la playa en el laboratorio, navegando fácilmente a través de un terreno arenoso y accidentado parcialmente cubierto de vegetación.
Los bots, aunque aún son rudimentarios, algún día podrían ayudar a administrar medicamentos en espacios confinados en nuestros cuerpos si se reducen. También pueden actuar como exploradores baratos, pequeños pero poderosos para explorar entornos nuevos o peligrosos.
Para el Dr. Ahmad Rafsanjani del Centro de Robótica Blanda de la Universidad del Sur de Dinamarca, que no participó en el estudio, los milibots ponen de relieve los metamateriales como una nueva forma de construir robots autónomos. El estudio “destaca una visión más amplia de los ‘materiales robóticos’ en los que el límite entre los materiales y las máquinas se vuelve imperceptible”, escribió en un comentario relacionado. “La fabricación aditiva de metamateriales piezoeléctricos puede conducir a la materialización de robots completamente integrados que eventualmente podrían salir directamente de una impresora 3D”.
Meta-Qué?
Los metamateriales son extraños. Pero gracias a sus propiedades exóticas, los científicos han explorado fácilmente los posibles usos de estos extraños patos. Un clásico es la óptica. Los metamateriales a menudo están hechos de componentes que interactúan de manera flexible con las ondas electromagnéticas, incluida la luz. En cierto modo, son similares a los lentes de las cámaras o los espejos, pero con el superpoder de cambiar rápidamente la forma en que dirigen cada onda de luz. En teoría, una estructura cuidadosamente creada a partir de metamateriales podría revisar todo tipo de anteojos, desde lentes de microscopio hasta los que usamos en la cara.
Más recientemente, los científicos comenzaron a explorar otros usos. Un gran esfuerzo es incorporar materiales piezoeléctricos en chips neuromórficos, que simulan aproximadamente cómo el cerebro calcula y almacena información. Al cambiar las propiedades de estos materiales con campos eléctricos, los científicos pueden aproximarse a cómo funcionan las sinapsis con energía ultrabaja. Otros estudios aprovecharon la capacidad acrobática de los metamateriales para transformar su forma, creando estructuras que convierten el movimiento lineal, por ejemplo, un paseo de cangrejo, en rotaciones y engranajes mecánicos. Es como si tus piernas de repente se convirtieran en ruedas giratorias.
Sí, los metamateriales son raros. ¿Cómo trabajan?
Ayuda imaginarlos como televisores en caja de la vieja escuela con antenas . Para ajustar el canal, es decir, el comportamiento del material, mueva las antenas hasta que su estructura interactúe fuertemente con las ondas de radio, y voil á , ha clavado el estado del material. Luego se puede mezclar con materiales convencionales para construir estructuras intrincadas similares a celosías mientras se conservan sus propiedades de metamorfosis. Esta flexibilidad los convierte en un lienzo especialmente intrigante para diseñar robots. Debido a que son una estructura casi única, a la larga, podrían ayudar a construir prótesis inteligentes menos propensas a fallar, ya que no tienen partes mecánicas móviles. En lugar de soldar, ahora se pueden imprimir en 3D. (Esto me da todo el Westworldvibraciones: Dolores mecánicos versus versión impresa de líquido lechoso, ¿alguien?).
Cosas extrañas
Los nuevos milibots parecen un híbrido entre Wall-E y TARS, un robot con forma de palillos plegables y estriados en Interstellar . Totalmente impresos en 3D, rompieron el dogma convencional para construir robots. Normalmente, un robot necesita varios componentes independientes: sensores para navegar por el entorno, microprocesadores para el “cerebro”, actuadores para el movimiento y una fuente de alimentación para controlar todo el sistema. Cada enlace es propenso a fallar.
Aquí, el equipo integró cada componente en un diseño. El primer ingrediente clave son los materiales piezoeléctricos, que convierten los campos eléctricos en tensión mecánica y viceversa. Son los “músculos” que guían el movimiento del robot. Pero cumplen una función triple. Dependiendo del estado del metamaterial, puede formar una columna vertebral similar a la cerámica para ayudar al milibot a mantener su forma. En su fase conductora, actúa como células nerviosas, captando señales electromagnéticas para controlar los “músculos”. Para aumentar aún más la destreza del bot, hay un elemento ultrasónico, fusionado con el bot, que lo ayuda a sentir su entorno.
En total, el milibot simple esencialmente tiene múltiples sistemas mezclados en una sustancia pegajosa blanca deslumbrante: un sistema nervioso capaz de detectar y actuar, un componente “muscular” y una estructura esquelética. Al colocar la sustancia pegajosa en una impresora 3D, el equipo construyó entramados sofisticados como la columna vertebral del robot, cada uno cuidadosamente decorado con metales conductores y propiedades piezoeléctricas en regiones específicas.
¿El resultado? Un pequeño robot que aprovecha los campos eléctricos para sentir y navegar en su entorno. Aún más impresionante es su capacidad para “comprender” sus propios movimientos corporales y su ubicación en el espacio, un truco llamado propiocepción que se ha denominado el “sexto sentido” de la percepción humana y rara vez se implementa en robots.
Luego de algunos desafíos, los autores mostraron la destreza de los bots. Un robot navegó de manera experta alrededor de los obstáculos en tiempo real mientras un humano derribaba barreras secuencialmente en función de la retroalimentación de ultrasonido. En otra prueba, el robot saltó largas distancias y realizó giros cerrados de manera experta. Con solo milisegundos de retraso, la rana robot saltó varias superficies ásperas sin sudar, una tarea motora que previamente desconcertó a otros bots.
Los milibots también fueron excelentes mulas de carga. Incluso con un peso del 500 por ciento en la carga útil, como una fuente de alimentación a bordo, un controlador y un microcontrolador, pudieron moverse fácilmente con solo una disminución del 20 por ciento en la velocidad. En la práctica, la superpotencia convierte a estos bots en grandes andamios como máquinas de administración de medicamentos que algún día podrían recorrer nuestro torrente sanguíneo.
Un camino por recorrer
Una sola pieza de material piezoeléctrico puede ser extremadamente flexible, con seis grados de libertad: la capacidad de extenderse linealmente en tres ejes (como doblar el brazo hacia adelante, hacia los lados y hacia atrás) y girar en rotación. Gracias a la fabricación aditiva del estudio, es fácil diseñar diferentes arquitecturas robóticas guiadas por algoritmos creativos.
El equipo “entretejió ingeniosamente la actuación y la percepción en una miniatura liviana
celosía 3D compuesta que se mueve y detecta su entorno”, dijo Rafsanjani.
Los robots pueden parecer un enigma incongruente: una criatura flexible que está hecha de una columna vertebral similar a la cerámica dura con un metamaterial. Pero también lo somos los humanos: estamos hechos de células con formas, tamaños y capacidades muy diferentes. La adaptación de las ideas utilizadas para diseñar robots piezoeléctricos le da a la robótica blanda una nueva perspectiva, lo que podría conducir a materiales completamente artificiales que interactúan con nuestros cuerpos.
El estudio “acerca los metamateriales robóticos a los sistemas biológicos, una función a la vez”, dijo Rafsanjani.
Crédito de la imagen: Grupo de investigación Rayne
Fan, S. (2022g, junio 21). These 3D Printed Millirobots Can Sense and React to Their Surroundings. Singularity Hub. Recuperado 22 de junio de 2022, de https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/?utm_campaign=SU%20Hub%20Daily%20Newsletter&utm_medium=email&_hsmi=217214126&_hsenc=p2ANqtz–eKDvENsBdhBaQjz64HkD9Elz0DyeeKxwyHItPKiDQA6PrZQGyzH9KEfo_CtlbfWLFwD350x05fVKq8ECvuEqXqUURbRd2p95ZMb8-MbXLIry79SQ&utm_content=217214126&utm_source=hs_email