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(noticias nanowerk) Durante décadas, los investigadores se han sorprendido por las notables capacidades de estructuras biológicas como las trompas de elefante, los brazos de pulpo y las plantas trepadoras. Estas estructuras continuas naturales exhiben una versatilidad y adaptabilidad envidiables a pesar de carecer de una unidad de control central o «cerebro». Los científicos llevan mucho tiempo intentando reproducir estas características en sistemas robóticos para aplicaciones como búsqueda y rescate, cirugía, inspección de infraestructura y exploración espacial. Sin embargo, imitar la complejidad de las estructuras biológicas con robots rígidos tradicionales sigue siendo un desafío constante.
Los recientes avances en robótica blanda y materiales inteligentes han acercado a la realidad el objetivo de construir robots continuos de alto rendimiento. Sin embargo, la mayor parte de la investigación se ha centrado en mejorar los sistemas de actuación y control en lugar de adaptarse a las optimizaciones estructurales que permiten una funcionalidad tan extraordinaria en organismos moldeados por eones de evolución. Por lo tanto, incluso los brazos continuos blandos de última generación requieren una amplia gama de sensores, actuadores y hardware de control para lograr los movimientos de fluidos y las adaptaciones ambientales que las plantas y los invertebrados realizan intrínsecamente.
Ahora publicado en un artículo en Sistemas inteligentes avanzados (“Un brazo robótico suave y continuo con un comportamiento adaptativo inspirado en una planta trepadora para un esfuerzo mínimo de detección, actuación y control”), los científicos del Laboratorio de Robótica Suave Bioinspirada del Instituto Italiano de Tecnología demuestran un enfoque innovador para replicar estructuras biológicas en profundidad. nivel de tejido. Su brazo continuo suave inspirado en plantas, llamado Mandy, corresponde a la distribución gradual de la rigidez a la flexión observada a lo largo de los tallos en busca de una especie de planta trepadora. Este innovador diseño biomimético le permite a Mandy detectar y envolver soportes utilizando un solo sensor y actuador.
Los investigadores realizaron pruebas biomecánicas en muestras de plantas de Mandevilla para analizar cómo disminuía su rigidez a la flexión desde la base del tallo hasta la punta de crecimiento. Este gradiente permite suficiente flexibilidad del vértice para los movimientos orbitales de búsqueda necesarios para ubicar los soportes mientras se mantiene la rigidez de la base requerida para soportar el peso estructural.
Una vez que se encuentra el soporte adecuado, el tallo de Mandevilla que busca cambia su patrón de crecimiento y establece contacto a través de la tigmomorfogénesis (el proceso por el cual las plantas alteran su crecimiento y desarrollo en respuesta a estímulos mecánicos como el tacto o el viento). ¿Cuántas plantas trepadoras hay? Mandevilla cf.magnífico se fija enrollando su tallo alrededor de soportes. Los autores querían recrear en un robot tanto la distribución gradual de la rigidez a la flexión que permite el comportamiento de búsqueda como la respuesta automática de enrollamiento provocada por el contacto físico.
En lugar de concentrar sensores, actuadores y sistemas de control en una pequeña sección del brazo, los investigadores distribuyeron propiedades físicas inteligentes por toda la estructura del brazo. El resultado es un sistema robótico elegantemente simple con nuevas capacidades que van mucho más allá de sus especificaciones de hardware.
La innovación clave que permitió ampliar la funcionalidad de Mandy con recursos integrados tan compactos fue el ajuste de la distribución de la rigidez a la flexión a lo largo del vástago Mandevilla en cada sección del brazo. Esto se logró imprimiendo en 3D el brazo a partir de segmentos de base rígidos que gradualmente se convierten en anillos extremadamente flexibles hacia la punta.
Los investigadores también imitaron la tigmomorfogénesis de la planta incorporando pequeñas cámaras de aire como sensores de contacto distribuidos. Los espesores de pared inclinados desde la base hasta la punta garantizan cambios constantes en la presión del aire. Esto permite la detección de soportes adecuados en cualquier parte del brazo utilizando un único sensor de presión de aire en lugar de una matriz. Cuando se activa, un actuador de un solo tendón desencadena la respuesta de torsión de Mandy.
Las simulaciones y experimentos confirmaron la capacidad de Mandy para reproducir el comportamiento autónomo del Mandevilla con una fracción del hardware necesario para otros brazos continuos. Al incorporar únicamente principios de diseño biológico, los investigadores lograron una funcionalidad de vanguardia con un presupuesto drásticamente reducido.
Este estudio innovador abre nuevas e interesantes direcciones para la investigación de la robótica blanda. Ajustar las estructuras biológicas con la mayor precisión posible abre posibilidades que son inimaginables en los sistemas rígidos convencionales. Y minimizar la complejidad mecánica mediante un diseño bioinspirado hace posible hacer más con menos.
El cuerpo adaptable de Mandy y su control sensoriomotor distribuido imitan fielmente los elegantes comportamientos autónomos de Mandevilla. Pero este primer prototipo sólo logra tales hazañas con simples segmentos impresos en 3D, un solo sensor y un solo actuador.
Al avanzar en el camino evolutivo marcado por la propia naturaleza, los brazos continuos blandos pronto podrían cumplir su promesa de larga data, transformando aplicaciones de cirugía mínimamente invasiva a ayuda en casos de desastre. Y finalmente se podría acceder a una funcionalidad ampliada con especificaciones de hardware extremadamente compactas y rentables.
Como señalan los investigadores, invertir más esfuerzos en análisis biomecánico cuantitativo y diseño estructural biomimético debería dar enormes beneficios en el futuro. Trabajos como el de Mandy resaltan los enormes beneficios que aún esperan ser obtenidos mediante el estudio y la implementación de soluciones biológicas probadas únicamente.
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