La impresión 3D puede hacer la robótica más segura mediante la biomimética

Un estudio publicado en Advanced Intelligent Systems este mes presenta una nueva forma de actuador robótico que utiliza la biomimética para crear un movimiento similar al de tus músculos. Estos actuadores blandos permiten a los ingenieros fabricar dispositivos flexibles que pueden realizar tareas únicas como doblar o cambiar de forma. Aquí tienes lo que necesitas saber.

Robótica blanda

Los robots blandos o ‘no rígidos’ son un campo en crecimiento con potencial ilimitado. Estos dispositivos pueden desplazarse y plegarse para encajar en grietas estrechas, alrededor de esquinas y en otros escenarios donde un dispositivo rígido fallaría. Por ello, el mercado de la robótica blanda está en alza, y los analistas pronostican un CAGR del 55,4 % hasta 2029.

Problemas con los actuadores tradicionales

Un factor que sigue limitando el crecimiento del sector de la robótica blanda es la selección actual de actuadores. Cada actuador habilita otro vector de movimiento para la unidad. Sin embargo, estos dispositivos crean puntos duros en las estructuras robóticas no rígidas. Estos puntos duros impiden una verdadera libertad de movimiento.

Además, se requiere otro actuador para cada rango de movimiento. Por ello, pueden aumentar el peso y el costo de estos dispositivos. Los robots más pesados consumen más energía, lo que los hace menos útiles, eficientes y productivos.

Uso de la biomimética para crear un mejor actuador

El estudio profundiza en una nueva forma de actuador blando que se asemeja más a los músculos humanos al estirarse y contraerse simultáneamente. Esta combinación genera más fuerza y permite que tu cuerpo transfiera esa fuerza de manera más eficiente. Hasta ahora, los ingenieros robóticos se centraban principalmente en actuadores que podían expandirse y contraerse, sin prestar mucha atención a su rigidez durante el proceso.

Fuente – Advanced Intelligent Systems

Investigadores

Investigadores de Northwestern y la Escuela de Ingeniería McCormick se unieron para explorar las posibilidades de un nuevo tipo de actuador biomimético. El estudio fue liderado por Taekyoung Kim. Contó con la ayuda de Pranav Karthik, Ryan Truby y del Profesor Junior de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Mecánica en la Escuela de Ingeniería McCormick, Donald Brewer. Juntos, este equipo innovador creó un nuevo proceso de fabricación y prototipos funcionales, y realizó una investigación profunda sobre su nuevo actuador biomimético.

Un nuevo estilo de actuador

El primer paso que dio el equipo fue imprimir en 3D el cuerpo de su unidad. Los investigadores necesitaban encontrar una estructura que pudiera doblarse y retorcerse, pero que también soportara presión cuando fuera necesario. Específicamente, el diseño incluye fuelles que se deforman automáticamente mediante pandeo torsional a torques crecientes. Esta maniobra crea una forma helicoidal que puede transferir la carga torsional de manera eficiente.

Mejor material para el trabajo

Se dieron cuenta temprano de que los materiales habituales para actuadores impresos en 3D no serían lo suficientemente flexibles para completar la tarea. Tras mucha deliberación, decidieron usar poliuretano termoplástico para su dispositivo. Este material se encuentra en muchos objetos que utilizas a diario. Es ese material gomoso que protege la carcasa de tu teléfono móvil y otros objetos. Cabe destacar que este material es elástico y puede soportar torque torsional si es necesario.

Motor único

Uno de los mayores cambios respecto a los actuadores tradicionales que realizaron los investigadores fue eliminar la necesidad de múltiples motores. Su dispositivo podía formar una multitud de formas y dirigirse en varias direcciones simplemente girando el motor único, lo que hacía que el dispositivo se extendiera y contrajera.

Movimientos únicos

El diseño de motor único brinda a estos robots la máxima flexibilidad. Puede expandirse y retorcerse para adaptarse a las necesidades de su entorno y objetivos. Además, el diseño de motor único reduce costos y puede simplificar el diseño de futuros dispositivos.

Robot rastreador

El primer dispositivo que el equipo creó fue un robot rastreador de 26 centímetros de largo. Esta unidad puede extenderse y doblarse según el torque que le aplique el servo. El robot es capaz de moverse como un gusano al crear un movimiento de tracción que le permite navegar por entornos complejos a 32 centímetros por minuto.

El equipo puso a prueba su rastreador en un video público. Se puede observar a la unidad avanzando a través de una tubería compleja que requiere que el robot realice giros estrechos para alcanzar la salida. El dispositivo logró atravesar con facilidad las curvas estrechas y sinuosas con éxito.

Los resultados de la prueba del rastreador fueron positivos. El robot es capaz de una elongación del 45 % que le permite volverse largo y delgado cuando sea necesario. Además, el equipo señaló que la unidad tiene una fuerza máxima de empuje bloqueado de aproximadamente 8 N.

Bíceps artificial

El siguiente prototipo que el equipo demostró fue un bíceps robótico. Este dispositivo integró una celda de carga de 6 ejes, una guía lineal y un servo único para generar torque y movimiento similar al de un bíceps humano.

El dispositivo está fabricado con el mismo material de goma que el eje blando. Este diseño ofrece respuestas no lineales y viscoelásticas. Estas acciones generan una respuesta de fuerza‑desplazamiento con histéresis, lo que permite que el dispositivo enrolle objetos como lo haría un brazo humano.

Los ingenieros probaron su bíceps robótico para evaluar sus capacidades. La unidad levantó con éxito un peso de 500 g durante 5 000 repeticiones sin fallar. Estos resultados demuestran la repetibilidad y efectividad del nuevo enfoque de los movimientos robóticos.

Prueba

La fase de pruebas proporcionó valiosos comentarios a los investigadores, quienes buscarán mejorar sus futuros diseños usando estos datos. Los ingenieros se enfocaron en capturar información esencial, incluyendo torque del actuador, presión de empuje y tracción, resistencia a la tracción y otras pruebas de esfuerzo cruciales que pueden ayudar a determinar las capacidades máximas del nuevo sistema.

Beneficios

El estudio de los investigadores podría tener efectos resonantes en el mercado. El campo de la robótica blanda sigue expandiéndose y, a medida que más de estos dispositivos entren en producción, sus beneficios se hacen más evidentes. Aquí tienes algunas de las formas en que esta investigación podría impulsar el mercado de la robótica blanda.

Hacer los robots más seguros

Una de las principales razones del impulso para crear robots blandos es que son mucho más seguros de manejar. Cuantos más fabricantes busquen integrar la robótica en su fuerza laboral, más común será que humanos y robots trabajen lado a lado. Los robots blandos son un compañero de trabajo mucho mejor en la mayoría de los escenarios por diversas razones.

En primer lugar, es menos probable que te causen daño si chocan contra ti. Chocar contra una tubería de metal ya es bastante doloroso. El dolor puede empeorar si el dispositivo metálico está en movimiento y te golpea. Los robots blandos ayudarían a eliminar lesiones menores provocadas por pequeños golpes y colisiones.

Los robots blandos pueden operar en entornos donde los robots tradicionales se considerarían demasiado peligrosos de usar. Por ejemplo, podrían ayudar a crear ganado en el futuro. Por ahora, estos dispositivos son más adecuados para entornos centrados en humanos en comparación con los robots duros tradicionales.

Bajo costo

Uno de los mayores beneficios del estudio son los ahorros. Crear servidores robóticos y robots duros es una tarea costosa que ha limitado su uso a grandes fabricantes de alta gama durante décadas. Los avances recientes han ayudado a nivelar el campo de juego para operaciones más pequeñas.
Este último desarrollo reduce aún más los costos. Según la documentación del investigador, los prototipos de robot que utilizaron costaron solo $3 en materiales, sin incluir el servo. Esta alternativa económica abre la puerta a una mayor integración, ya que existen muchas tareas que los robots podrían realizar pero que las restricciones de costo han limitado hasta ahora. Pronto, la robótica blanda de bajo costo podría encontrarse ayudando en tu vida diaria.

Usar impresoras 3D convencionales.

Otro avance fue la introducción de un actuador biomimético compatible con impresoras 3D. La capacidad de fabricar estos dispositivos usando una impresora 3D estándar significa que cualquiera puede integrar los resultados del estudio del investigador y crear diseños robóticos blandos nuevos e innovadores.

Integrado

Los investigadores están orgullosos de que su nuevo actuador pueda integrarse sin problemas en los diseños robóticos actuales. Este paso ayudará a impulsar la adopción y a agilizar la innovación. También ayuda a los desarrolladores a obtener retroalimentación instantánea sobre su investigación a medida que más ingenieros aprovechan su estrategia.

Líderes actuales del mercado

El mercado de la robótica blanda tiene una competencia seria entre los principales actores. Un estudio reciente encontró que solo 5 fabricantes líderes controlan el 40 % del mercado de la robótica blanda. El mismo estudio reveló que Norteamérica lidera la carrera en términos de adopción. Algunos de los principales fabricantes incluyen Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories y Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne es una empresa de tecnología cibernética que busca combinar IA, robótica y sistemas de información para crear un nuevo nivel de eficiencia y capacidades. La compañía es pionera en el mercado de la cibernética y es reconocida como una de las principales investigadoras y fabricantes de dispositivos robóticos blandos.

Cyberdyne ha experimentado un crecimiento impresionante. La empresa vio expandirse sus ingresos en un +52 % pasando de ¥2.15 mil millones a ¥3.29 mil millones en un solo año. Gran parte de este crecimiento se atribuye a exitosas incursiones en el sector de equipos médicos.

2. Soft Robotics

Soft Robotics es otro actor importante en el sector. Esta empresa se especializa en tareas de fabricación automatizada y agricultura. Sus dispositivos integran soluciones avanzadas de inspección visual y algoritmos de IA para garantizar que puedan seleccionar, clasificar y determinar artículos con precisión.

Soft Robotics presenta una mano de agarre blando que aprovecha la visión 3D y la IA para realizar tareas complejas que antes solo eran posibles con humanos. Estos dispositivos capacitan a los cultivadores con capacidades de recolección, clasificación y empaquetado de alta velocidad. Cabe destacar que Soft Robotics es un gran ejemplo de cómo los robots blandos pueden mejorar la productividad.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings es un líder global en tecnología de exoesqueletos. La tecnología de la compañía cumple múltiples funciones tanto en el sector de la salud como en la manufactura. Actualmente ofrecen una variedad de exoesqueletos utilizados específicamente para rehabilitación, terapia y ayudar a personas con problemas de movilidad a recuperarse.

Ekso ofrece exoesqueletos tanto para la parte superior del torso como para la parte inferior del cuerpo. Estos dispositivos permiten al usuario desplazarse más lejos, levantar más peso y soportar mayor esfuerzo sin agotarse. El posicionamiento de la empresa y sus productos pioneros le han permitido asegurar importantes aumentos de ingresos desde 2022.

Empresas que podrían beneficiarse del actuador biomimético

Muchas empresas podrían utilizar el estudio de los investigadores y mejorar sus ofertas actuales. Estas compañías ya están activas en el mercado y ofrecen productos que podrían beneficiarse de esta tecnología en términos de mayor eficiencia, menores costos operativos o mejores propuestas.

ReWalk Robotics

ReWalk es un proveedor de sistemas de marcha biónica. La empresa ha ayudado a miles de personas a recuperar su movilidad gracias a su enfoque innovador y su dedicación. ReWalk Robotics busca ayudar a los parapléjicos a retomar el control de sus vidas mediante sus productos únicos.

El asistente de marcha biónica ReWAlk cuenta con correas de pierna impulsadas por servos, una batería de mochila y un control remoto montado en la muñeca. Este dispositivo puede configurarse para moverse bajo demanda o para detectar movimiento automáticamente. En este modo, el sistema puede potenciar las acciones del usuario con un esfuerzo mínimo.

Rewalk Robotics tiene una valoración de consenso de “comprar” debido a su posicionamiento en el mercado. La empresa sigue innovando con sus diseños y productos únicos. La incorporación de tecnologías adicionales, como IA y actuadores biomiméticos, podría reducir considerablemente los costos de sus unidades en el futuro.

RightHand Robotics

RightHand Robotics es otro fabricante de robots blandos. La empresa está ubicada en Boston y ofrece una selección de productos diseñados para proporcionar soluciones de selección eficientes al mercado. La compañía busca capacitar a los minoristas para que realicen un comercio en línea simplificado con la ayuda de sus opciones de clasificación robótica.
Cabe destacar que RightHand Robotics ha recibido múltiples reconocimientos por sus esfuerzos. La empresa fue nombrada Empresa de Robótica del Año en los premios de la New England Venture Capital Association (NEVY) por su trabajo en el sector.

La biomimética hará la vida más fácil para todos.

En el futuro, los robots ocuparán muchos más puestos. Los robots blandos ayudarán a impulsar esta integración, ya que estos dispositivos están mejor adaptados para trabajar junto a los humanos que las unidades tradicionales. Por ahora, la investigación realizada por estos ingenieros podría ayudar a pasar los robots de ser raros a opciones altamente asequibles que cualquiera pueda adquirir. Por ello, es prudente observar estos desarrollos a medida que se despliegan.
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