El origami o plegado de papel tradicional japonés y los nuevos materiales se combinan para crear un robot blando que se mueve como una oruga
Ingenieros de Princeton y la Universidad Estatal de Carolina del Norte han combinado el antiguo plegado del papel y la moderna ciencia de los materiales para crear un robot blando que se dobla y retuerce por laberintos con facilidad.
Los robots blandos pueden ser difíciles de guiar porque el equipo de dirección suele aumentar la rigidez del robot y reducir su flexibilidad. Según Tuo Zhao, investigador postdoctoral de Princeton, el nuevo diseño resuelve estos problemas incorporando el sistema de dirección directamente al cuerpo del robot.
En un artículo publicado el 6 de mayo en la revista PNAS, los investigadores describen cómo crearon el robot a partir de segmentos cilíndricos modulares. Los segmentos, que pueden funcionar de forma independiente o unirse para formar una unidad más larga, contribuyen a la capacidad de movimiento y dirección del robot. El nuevo sistema permite que el robot flexible avance y retroceda, recoja carga y se ensamble en formaciones más largas.
«El concepto de robots blandos modulares puede aportar ideas para futuros robots blandos que puedan crecer, repararse y desarrollar nuevas funciones», escriben los autores en su artículo.
Según Zhao, la capacidad del robot para ensamblarse y dividirse sobre la marcha permite al sistema funcionar como un único robot o como un enjambre.
«Cada segmento puede ser una unidad individual, comunicarse entre sí y ensamblarse cuando se le ordene», explica. «Pueden separarse fácilmente, y utilizamos imanes para conectarlos».
Zhao trabaja en el laboratorio de Glaucio Paulino, del Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental y del Instituto de Materiales de Princeton. Paulino, catedrático de Ingeniería Margareta Engman Augustine, ha creado un cuerpo de investigación que aplica el origami a una amplia gama de aplicaciones de ingeniería, desde dispositivos médicos a la industria aeroespacial y la construcción.
«Hemos creado un robot de origami modular blando plug-and-play bioinspirado que se acciona por medios electrotérmicos con calentadores muy flexibles y adaptables», explica Paulino. «Se trata de una tecnología muy prometedora con potencial de traslación a robots que pueden crecer, curarse y adaptarse a demanda».
En este caso, los investigadores empezaron construyendo su robot a partir de segmentos cilíndricos con una forma de origami denominada patrón Kresling. El patrón permite que cada segmento se retuerza en un disco aplanado y se expanda de nuevo en un cilindro. Este movimiento de torsión y expansión es la base de la capacidad del robot para arrastrarse y cambiar de dirección. Al doblar parcialmente una sección del cilindro, los investigadores pueden introducir una curvatura lateral en un segmento del robot. Combinando pequeñas curvas, el robot cambia de dirección a medida que avanza.
Materiales inteligentes para el robot origa
Uno de los aspectos más complicados del trabajo consistió en desarrollar un mecanismo para controlar los movimientos de flexión y plegado utilizados para impulsar y dirigir el robot. Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte desarrollaron la solución. Utilizaron dos materiales que se contraen o expanden de forma diferente cuando se calientan (elastómero de cristal líquido y poliimida) y los combinaron en finas tiras a lo largo de los pliegues del patrón Kresling.
Los investigadores también instalaron un fino calentador extensible hecho de una red de nanocables de plata a lo largo de cada pliegue. La corriente eléctrica del calentador de nanocables calienta las tiras de control, y la diferente dilatación de los dos materiales introduce un pliegue en la tira. Calibrando la corriente y el material utilizado en las tiras de control, los investigadores pueden controlar con precisión el plegado y la flexión para impulsar el movimiento y la dirección del robot.
«Los nanocables de plata son un material excelente para fabricar conductores elásticos. Los conductores estirables son componentes básicos de diversos dispositivos electrónicos estirables, como los calentadores estirables. Aquí utilizamos el calentador extensible como mecanismo de accionamiento para los movimientos de flexión y plegado», explica Yong Zhu, catedrático Andrew A. Adams del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y uno de los investigadores principales.
Shuang Wu, investigador postdoctoral del laboratorio de Zhu, explicó que en trabajos anteriores se había utilizado el calentador extensible para doblar continuamente una estructura bicapa. «En este trabajo conseguimos un plegado localizado y brusco para accionar el patrón de origami. Este eficaz método de actuación puede aplicarse en general a estructuras de origami (con pliegues) para robótica blanda», dijo Wu.
Los investigadores señalaron que la versión actual del robot tiene una velocidad limitada y que están trabajando para aumentar la locomoción en generaciones posteriores. Zhao dijo que los investigadores también planean experimentar con diferentes formas, patrones e inestabilidad para mejorar tanto la velocidad como la dirección.
REFERENCIA
Modular multi-degree-of-freedom soft origami robots with reprogrammable electrothermal actuation
Foto: El robot está formado por segmentos que pueden plegarse en un disco plano y extenderse en un cilindro. Los pliegues parciales doblan el robot y permiten su movimiento y dirección. Crédito: Frank Wojciechowski/Princeton University
