Robot Caterpillar demuestra un nuevo enfoque de locomoción para robótica blanda

Feb 24, 2024

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han demostrado un robot blando parecido a una oruga que puede moverse hacia adelante, hacia atrás y sumergirse en espacios estrechos. El movimiento del robot oruga está impulsado por un novedoso patrón de nanocables de plata que utilizan calor para controlar la forma en que el robot se dobla, lo que permite a los usuarios dirigirlo en cualquier dirección.

"El movimiento de una oruga está controlado por la curvatura local de su cuerpo: su cuerpo se curva de manera diferente cuando se empuja hacia adelante que cuando se empuja hacia atrás", dice Yong Zhu, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y el Andrew A. Adams. Profesor distinguido de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State. “Nos hemos inspirado en la biomecánica de la oruga para imitar esa curvatura local y utilizamos calentadores de nanocables para controlar una curvatura y un movimiento similares en el robot oruga.

"Diseñar robots blandos que puedan moverse en dos direcciones diferentes es un desafío importante en la robótica blanda", dice Zhu. “Los calentadores de nanocables integrados nos permiten controlar el movimiento del robot de dos maneras. Podemos controlar qué secciones del robot se doblan controlando el patrón de calentamiento en el robot blando. Y podemos controlar hasta qué punto esas secciones se doblan controlando la cantidad de calor que se aplica”.

El robot oruga consta de dos capas de polímero, que reaccionan de manera diferente cuando se exponen al calor. La capa inferior se encoge o contrae cuando se expone al calor. La capa superior se expande cuando se expone al calor. Un patrón de nanocables de plata está incrustado en la capa de polímero en expansión. El patrón incluye múltiples puntos conductores donde los investigadores pueden aplicar una corriente eléctrica. Los investigadores pueden controlar qué secciones del patrón de nanocables se calientan aplicando una corriente eléctrica a diferentes puntos del cable, y pueden controlar la cantidad de calor aplicando más o menos corriente.

"Demostramos que el robot oruga es capaz de impulsarse hacia adelante y hacia atrás", dice Shuang Wu, primer autor del artículo e investigador postdoctoral en NC State. “En general, cuanto más corriente aplicáramos, más rápido se movería en cualquier dirección. Sin embargo, descubrimos que había un ciclo óptimo, que le daba tiempo al polímero para enfriarse, permitiendo efectivamente que el "músculo" se relajara antes de contraerse nuevamente. Si intentábamos hacer girar el robot oruga demasiado rápido, el cuerpo no tenía tiempo de "relajarse" antes de contraerse nuevamente, lo que perjudicaba su movimiento".

Los investigadores también demostraron que el movimiento del robot oruga se podía controlar hasta el punto en que los usuarios podían dirigirlo por un espacio muy bajo, similar a guiar al robot para que se deslizara por debajo de una puerta. En esencia, los investigadores pudieron controlar tanto el movimiento hacia adelante como hacia atrás, así como hasta qué punto el robot se inclinó hacia arriba en cualquier punto de ese proceso.

"Este método para impulsar el movimiento en un robot blando es muy eficiente desde el punto de vista energético y estamos interesados ​​en explorar formas en las que podamos hacer que este proceso sea aún más eficiente", afirma Zhu. "Los próximos pasos adicionales incluyen la integración de este enfoque para la locomoción suave de robots con sensores u otras tecnologías para su uso en diversas aplicaciones, como dispositivos de búsqueda y rescate".

El artículo, "Robot de arrastre suave inspirado en Caterpillar con accionamiento térmico programable distribuido", se publica en la revista de acceso abierto Science Advances. El artículo fue coautor de Jie Yin, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State; Yaoye Hong, Ph.D. estudiante de NC State; y por Yao Zhao, investigador postdoctoral de NC State.

El trabajo se realizó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, bajo las subvenciones 2122841, 2005374 y 2126072; y de los Institutos Nacionales de Salud, con el número de subvención 1R01HD108473.

-barquero-

Nota para los editores:A continuación se presenta el resumen del estudio.

“Robot de arrastre suave inspirado en Caterpillar con accionamiento térmico programable distribuido”

Autores: Shuang Wu, Yaoye Hong, Yao Zhao, Jie Yin y Yong Zhu, Universidad Estatal de Carolina del Norte

Publicado: 22 de marzo, Avances científicos

DOI: 10.1126/sciadv.adf8014

Abstracto: Muchas inspiraciones para la robótica blanda provienen del mundo natural, como los pulpos, las serpientes y las orugas. Aquí, presentamos un robot de rastreo inspirado en una oruga y energéticamente eficiente con múltiples modos de rastreo, habilitados por el calentamiento en julios de un calentador suave estampado que consta de redes de nanocables de plata en un actuador bimorfo térmico basado en elastómero de cristal líquido (LCE). Con calentadores modelados y distribuidos y calefacción programable, se logran diferentes temperaturas y, por lo tanto, distribución de curvatura, lo que permite la locomoción bidireccional como resultado de la competencia de fricción entre los extremos delantero y trasero con el suelo. Se estudia el comportamiento bimorfo térmico para predecir y optimizar la curvatura local del robot ante estímulos térmicos. Los modos de actuación bidireccionales, la velocidad de avance y la capacidad de atravesar obstáculos con espacios limitados se investigan mediante experimentos y análisis de elementos finitos. La estrategia de calentamiento y actuación distribuidos y programables con materiales sensibles al calor ofrece nuevas capacidades para robots blandos inteligentes y multifuncionales.