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Músculo artificial

TECNOLOGÍA DE INGENIERÍAMúsculo artificial

En un gran avance en robótica, se ha diseñado con éxito por primera vez un robot con músculos "suaves" similares a los humanos. Estos robots blandos pueden ser de gran ayuda para diseñar robots amigables con los humanos en el futuro.

Los robots son máquinas programables que se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales, por ejemplo, como parte de la automatización, especialmente en la fabricación, porque están diseñados para ser buenos en tareas repetitivas que requieren mucha fuerza y ​​potencia. Los robots interactúan con el mundo físico a través de sensores y actuadores en ellos y son reprogramables, lo que los hace más útiles y flexibles que las máquinas de rutina de una sola función. Es obvio por la forma en que estos robots están diseñados para hacer el trabajo que sus movimientos son extremadamente rígidos, a veces espasmódicos, parecidos a una máquina y son pesados, imponentes y no son útiles cuando una tarea en particular requiere cantidades variables de fuerza en diferentes momentos. puntos. Los robots también son a veces peligrosos y pueden necesitar recintos seguros, ya que no son sensibles a su entorno. El campo de la robótica está explorando una variedad de disciplinas para diseñar, construir, programar y usar de manera eficiente máquinas robóticas en diversas áreas de la industria y la tecnología médica con diferentes requisitos.

En estudios recientes de gemelos dirigidos por Christoph Keplinger, los investigadores han adaptado a los robots una nueva clase de músculos que son muy similares a nuestros músculos humanos y poseen y proyectan fuerza y ​​sensibilidad al igual que nosotros. La idea central es proporcionar movimientos más "naturales" a la máquina, es decir, a los robots. El 99.9 por ciento de todos los robots de hoy son máquinas rígidas hechas de acero o metal, mientras que un cuerpo biológico es blando pero tiene capacidades increíbles. Estos robots con músculos 'suaves' o 'más reales' pueden diseñarse adecuadamente para realizar tareas rutinarias y delicadas (que los músculos humanos realizan a diario), por ejemplo, simplemente recoger una fruta blanda o colocar un huevo dentro de una canasta. En comparación con los robots tradicionales, los robots equipados con 'músculos artificiales'serán como versiones' más suaves 'de sí mismos y más seguras y luego podrían personalizarse para realizar casi cualquier tarea en la proximidad de las personas, lo que sugiere varias aplicaciones posibles asociadas con y alrededor de la vida humana. Los robots blandos podrían denominarse robots 'colaborativos', ya que estarán diseñados de forma única para llevar a cabo una tarea en particular de una manera muy similar a la de un ser humano.

Los investigadores han estado intentando crear robots de músculos blandos. Tal robot requerirá un suave músculo tecnología para hacerse pasar por los músculos humanos y los investigadores han probado dos tecnologías de este tipo: actuadores neumáticos y actuadores de elastómero dieléctrico. El 'actuador' se define como el dispositivo real que mueve al robot, o el robot muestra un movimiento particular. En los actuadores neumáticos, una bolsa blanda se bombea con gases o fluidos para crear un movimiento particular. Este es un diseño simple pero potente, aunque las bombas no son prácticas y tienen depósitos voluminosos. La segunda tecnología, los actuadores de elastómero dieléctrico, utilizan el concepto de aplicar un campo eléctrico a través de un plástico flexible aislante para deformarlo y crear así un movimiento. Estas dos tecnologías por sí solas aún no han tenido éxito porque cuando un rayo de electricidad atraviesa el plástico, estos dispositivos fallan miserablemente y, por lo tanto, no son resistentes al daño mecánico.

Más robots "parecidos a humanos" con músculos similares

En los estudios de gemelos informados en Science1 y Ciencias Robótica2, los investigadores tomaron los aspectos positivos de las dos tecnologías de músculos blandos disponibles y crearon un actuador simple similar a un músculo blando que usa electricidad para alterar el movimiento de los líquidos dentro de pequeñas bolsas. Estas bolsas de polímero flexible contienen un líquido aislante, por ejemplo, un aceite normal (aceite vegetal o aceite de canola) del supermercado, o se puede utilizar cualquier líquido similar. Una vez que se aplicó voltaje entre los electrodos de hidrogel colocados entre los dos lados de la bolsa, los lados se acercaron entre sí, se produce un espasmo de aceite que aprieta el líquido y hace que fluya dentro de la bolsa. Esta tensión crea una contracción muscular artificial y una vez cortada la electricidad, el aceite vuelve a relajarse imitando un artificial relajación muscular. El actuador cambia de forma de esta manera, y el objeto que está conectado al actuador muestra un movimiento. Por lo tanto, este 'músculo artificial' se contrae y libera (flexiona) instantáneamente en milisegundos de la misma manera y con la misma precisión y fuerza que los músculos esqueléticos humanos reales. Estos movimientos pueden incluso superar la velocidad de las reacciones de los músculos humanos porque los músculos humanos se comunican simultáneamente con el cerebro provocando un retraso, aunque imperceptible. Por lo tanto, a través de este diseño, se logró un sistema de fluidos que tenía control eléctrico directo que exhibía versatilidad y alto rendimiento.

En el primer estudio1 in Science, los actuadores se diseñaron en forma de rosquilla y tenían la capacidad y la destreza para tomar y sostener una frambuesa a través de una pinza robótica (¡sin hacer explotar la fruta!). El posible daño causado por un rayo de electricidad al pasar a través del líquido aislante (un problema importante con los actuadores previamente diseñados) también se solucionó en el diseño actual y cualquier daño eléctrico se autocuraba o reparaba instantáneamente con un nuevo flujo de líquido en la parte "dañada" a través de un simple proceso de redistribución. Esto se atribuyó al uso de material líquido, que es más resistente, en lugar de una capa aislante sólida utilizada en muchos diseños anteriores y que se dañó instantáneamente. En este proceso, el músculo artificial sobrevivió a más de un millón de ciclos de contracción. Este actuador en particular, al tener forma de rosquilla, podía recoger fácilmente una frambuesa. De manera similar, al adaptar la forma de estas bolsas elásticas, los investigadores crearon una amplia gama de actuadores con movimientos únicos, por ejemplo, incluso levantando un huevo frágil con la precisión y la fuerza exacta requerida. Estos músculos flexibles se han denominado actuadores “electrostáticos autorreparables amplificados hidráulicamente” o actuadores HASEL.2 publicado en Robótica Ciencia, el mismo equipo creó además otros dos diseños de músculos blandos que se contraen linealmente, muy similar a un bíceps humano, por lo que tienen la capacidad de levantar repetidamente objetos más pesados ​​que su propio peso.

R La opinión general es que dado que los robots son máquinas, seguramente deben tener una ventaja sobre los humanos, pero, cuando se trata de las asombrosas habilidades que nos brindan nuestros músculos, uno podría simplemente decir que los robots palidecen en comparación. El músculo humano es extremadamente poderoso y nuestro cerebro tiene una cantidad extraordinaria de control sobre nuestros músculos. Ésta es la razón por la que los músculos humanos son capaces de realizar tareas complejas con precisión, por ejemplo, escribir. Nuestros músculos se contraen y relajan repetidamente cuando hacemos una tarea pesada y se dice que en realidad usamos solo alrededor del 65 por ciento de la capacidad de nuestros músculos y este límite lo establece principalmente nuestro pensamiento. Si podemos imaginar un robot que tiene músculos blandos similares a los humanos, la fuerza y ​​las capacidades serían enormes. Estos estudios se ven como un primer paso para desarrollar un actuador que algún día podría alcanzar las enormes capacidades de los músculos biológicos reales.

Robótica 'blanda' rentable

Los autores dicen que los materiales como las bolsas de polímero de papas fritas, el aceite e incluso los electrodos son económicos y fácilmente disponibles, lo que lleva el costo a solo 0.9 USD (o 10 centavos). Esto es alentador para las unidades de fabricación industrial actuales y para que los investigadores amplíen su experiencia. Los materiales de bajo costo son escalables y compatibles con las prácticas actuales de la industria y dichos dispositivos podrían usarse para una serie de aplicaciones como dispositivos protésicos o como un compañero humano. Este es un aspecto particularmente interesante, ya que el término robótica siempre se equipara con altos costos. Un inconveniente asociado con dicho músculo artificial es la gran cantidad de electricidad necesaria para su funcionamiento y también existen posibilidades de quemarse si el robot reserva demasiada potencia. Los robots blandos son mucho más delicados que sus homólogos de robots tradicionales, lo que hace que su diseño sea más desafiante, por ejemplo, las posibilidades de perforar, perder potencia y derramar el aceite. Estos robots blandos definitivamente necesitan algún tipo de aspecto de autocuración, como ya lo hacen muchos robots blandos.

Los robots blandos eficientes y robustos pueden ser muy útiles en la vida humana, ya que pueden complementar a los humanos y trabajar con ellos como robots “colaborativos” en lugar de robots que reemplazan a los humanos. Además, los brazos protésicos tradicionales podrían ser más suaves, agradables y sensibles. Estos estudios son prometedores y si se pudiera abordar la alta demanda de energía, tiene el potencial de revolucionar el futuro de los robots en términos de su diseño y cómo se mueven.

***

{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

Fuentes)

1. Acome et al. 2018. Actuadores electrostáticos autorreparables amplificados hidráulicamente con un rendimiento similar al de un músculo. Ciencias. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139

2. Kellaris et al. 2018. Actuadores Peano-HASEL: Transductores electrohidráulicos musculo-miméticos que se contraen linealmente al activarse. Robótica Ciencia. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276

Equipo SCIEU
Equipo SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Avances significativos en la ciencia. Impacto en la humanidad. Mentes inspiradoras.

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