Robótica
Avanzando la robótica con succión a múltiples escalas
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Los robots y el estudio de la robótica son un campo en constante evolución que sigue explorando nuevas vías para hacer nuestros procesos más eficientes y optimizados. Estos esfuerzos y exploraciones a menudo se inspiran en la naturaleza y los reinos animales que nos rodean. Por ejemplo, científicos de la Universidad de Bristol desarrollaron una copa de succión robótica con habilidades de succión super adaptativas similares a los ventosas biológicas de un pulpo.
Mecanismo de Succión inspirado en el Pulpo en Robots
Todo comenzó con el Bristol Robotics Laboratory estudiando la estructura de las ventosas biológicas de un pulpo, que exhiben niveles muy altos de capacidad de succión y pueden anclarse a cualquier roca de la manera más optimizada posible. Esta investigación llevó a la creación de una estructura blanda de múltiples capas y un sistema fluídico artificial que podría comportarse como la musculatura y las estructuras mucosas de un pulpo.
Mientras explicaba el logro más significativo de esta investigación, Tianqi Yue, autor principal del artículo, dijo lo siguiente, “El desarrollo más importante es que demostramos con éxito la efectividad de la combinación de conformación mecánica – el uso de materiales blandos para adaptarse a la forma de la superficie, y sello líquido – la difusión de agua sobre la superficie de contacto para mejorar la adaptabilidad de la succión en superficies complejas. También podría ser el secreto detrás de la capacidad de los organismos biológicos para lograr una succión adaptativa.”
El desarrollo clave, por lo tanto, es subir un nivel más allá del modo actual de succión artificial y entrar en el ámbito de la succión adaptativa — la capacidad de adherirse a las superficies más difíciles y complejas. Esto requirió un mecanismo de multi‑succión, y la investigación demostró cómo lograrlo.
Investigación Histórica para Entender Mejor Cómo Funcionan las Ventosas del Pulpo
Entender cómo funciona la succión en los pulpos ha sido durante mucho tiempo un área de interés para la comunidad científica. Los investigadores sabían que los pulpos podían mover sus ventosas de forma independiente y agarrar objetos cuando fuera necesario.
Un estudio realizado por investigadores en Livorno miró a los pulpos hace más de una década y descubrió que los lados y bordes de sus ventosas estaban construidos de manera única. Sus ventosas tenían pequeñas ranuras concéntricas, lo que les ayudaba a formar un sello fuerte en cualquier superficie rugosa bajo el agua.
Ranuras similares también se podían observar en la sección superior, lo que resultaba en un sello eficaz y fuerte pero de baja presión.
Al indagar más sobre este fenómeno de baja presión, los investigadores obtuvieron más información sobre las ventosas. Descubrieron que, mientras los lados y bordes de las ventosas eran blandos, la parte superior era mucho más rígida. Esta menor elasticidad, en todas las probabilidades, favorecía la generación local de baja presión, lo que hacía que la adhesión fuera superior, robusta y eficiente.
Desde este descubrimiento, se ha hablado de imitar los mecanismos de succión de los pulpos en robots. Ahora, podemos ver que los esfuerzos están dando frutos.
¡Mecanismo de Multi‑Succión y Cómo se Descifró!
La investigación propuso que el mecanismo de muti‑succión similar al de un pulpo podía replicarse a través de una combinación orgánica de conformación mecánica y sello de agua regulado. Los materiales blandos multicapa que la solución robótica desplegó primero generaron una conformación mecánica rugosa al sustrato, lo que finalmente redujo las aperturas de fuga a micrómetros. Estas aperturas de micrómetros fueron luego selladas por secreción de agua regulada de un sistema fluídico artificial.
Implicaciones Futuras de esta Investigación
Al destacar sus áreas potenciales de aplicación, los investigadores señalaron que este desarrollo podría allanar el camino para pinzas robóticas capaces de manejar una variedad de superficies secas complejas. Subrayaron la importancia de este mecanismo de succión adaptativa a múltiples escalas en el desarrollo de estrategias de succión más efectivas y singularmente adaptativas, lo que podría conducir a un espectro completo de mecanismos de adhesión blanda y versátiles.
Al señalar la mejora que esta solución introduce sobre las soluciones existentes, Tianqi Yue dijo:
“Las soluciones industriales actuales utilizan bombas de aire siempre activas para generar la succión, sin embargo, son ruidosas y desperdician energía.”
La solución actual no necesita una bomba, por lo que es superior. Y como esperaban sus desarrolladores, la solución actual conducirá a pinzas robóticas de próxima generación que podrían agarrar eficientemente varios objetos irregulares. El equipo mismo está planificando una copa de succión inteligente con sensores integrados que regularían hábilmente el comportamiento de la copa.
Aunque esta investigación y la solución que propone definitivamente cuentan como un avance, la comunidad científica y de robótica siempre ha estado inspirada por los pulpos.
La Asombrosa Criatura que es el Pulpo
La composición genética de un pulpo es tan única que difiere significativamente de casi cualquier criatura en este planeta. Un estudio de ADN sobre los pulpos reveló que poseen alrededor de 33 000 genes, aproximadamente 10 000 más que un humano. A diferencia de los humanos y muchos otros animales que pueden mejorar su código genético, los pulpos tienen la increíble capacidad de editar su propio ARN.
También había algunas similitudes con los humanos. Y esas similitudes les ayudaron a volverse más inteligentes como los humanos.
Por ejemplo, los pulpos poseen un conjunto de genes similares a los humanos que contribuyen a una red neuronal en sus cerebros. Esta red neuronal los hace adaptables a diversas circunstancias y aprendices rápidos. Además, su capacidad de editar sus ARN mejora su adaptabilidad, permitiéndoles soportar el frío extremo del océano profundo.
Como se evidencia visualmente, los pulpos tienen un cerebro grande. Y, al igual que los humanos, poseen un sistema circulatorio cerrado, ojos protegidos por iris, retina y lente.
Los pulpos también tienen capacidades de camuflaje de primera clase. Ahora que su código genético ha sido descifrado, será más fácil para los científicos comprender cómo lo logran. Cambian el color de su piel en milisegundos, una capacidad de la que pueden beneficiarse neurocientíficos, ingenieros textiles y estructurales.
La Mente de un Pulpo
El brillo fisiológico de un pulpo, especialmente su gran cerebro, ha motivado a los científicos a estudiar sus procesos cognitivos más a fondo.
En 2016, Peter Godfrey‑Smith, Profesor Distinguido de Filosofía en el Graduate Center, City University of New York, y profesor de historia y filosofía de la ciencia en la Universidad de Sídney en Australia, escribió un libro titulado ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.‘ En él, escribió:
“Los pulpos y sus parientes (cortés y calamar) representan una isla de complejidad mental en el mar de animales invertebrados. Desde mis primeros encuentros con estas criaturas hace aproximadamente una década, me ha intrigado la poderosa sensación de compromiso que es posible al interactuar con ellas.”
En el libro, el profesor Godfrey‑Smith destacó que un pulpo común tenía alrededor de 500 millones de neuronas en su cuerpo. Aunque esto es mucho menos que lo que tienen los humanos —casi 100 mil millones—, los pulpos son bastante inteligentes en que pueden navegar laberintos simples y utilizar señales visuales de manera eficaz para distinguir dos entornos diferentes pero familiares y tomar la mejor ruta.
Es la combinación de inteligencia y singularidad fisiológica lo que hace que los pulpos se destaquen de la fila. En esencia, el campo de la robótica siempre ha intentado alcanzar este estado donde los instrumentos inteligentes realizarían tareas complejas. No es de extrañar que los estudiantes de robótica hayan estado explorando constantemente esta asombrosa criatura. Además de los investigadores institucionales, varias empresas bien conocidas están activas en este campo.
#1. ABB
Una empresa que siempre ha tenido interés en imitar las capacidades del pulpo en sus productos fue ABB. En 2018, ABB Technological Ventures, la rama de inversión de capital de riesgo estratégico de ABB, estableció una asociación con Soft Robotics, una spin‑off del Whitesides Group.
Inspirados por la funcionalidad de los tentáculos de un pulpo, Soft Robotics desarrolló actuadores robóticos blandos a partir de polímeros que operan sin necesidad de sensores o dispositivos electromecánicos. La empresa construyó e integró la potencia computacional directamente en el propio agarre y desarrolló una mezcla propietaria de materiales con canales microfluídicos que imitan los tejidos blandos de la mano humana.
Desarrollos recientes en la integración de succión a múltiples escalas en robótica avanzada pueden mejorar la efectividad y eficiencia de estas tecnologías.
Los pulpos, conocidos por su mayor inteligencia y estructuras oculares sofisticadas que se asemejan a las humanas, han inspirado desarrollos significativos en robótica. Este año, ABB adquirió Sevensense, una empresa tecnológica suiza que se especializa en mejorar la movilidad de los robots industriales equipándolos con capacidades visuales y cognitivas.
En el año financiero 2023, ABB Group informó ingresos de US$32.2 mil millones. La empresa también realizó una inversión significativa de US$1.3 mil millones en investigación y desarrollo. Mientras tanto, su margen EBITA operativo estuvo cerca del 17 %.
#2. Festo
En otro caso, donde una empresa líder en robótica ya ha mostrado interés y podría aprovechar la succión multiescala para mejorar sus capacidades, observamos a la empresa alemana de robótica el robot de Festo inspirado en un pulpo.
Originalmente llamado OctopusGripper, este dispositivo robótico podía recoger, sostener y colocar objetos usando una combinación de ventosas y aire. Desde entonces se ha renombrado como Tentacle Gripper. La empresa describe este agarre biónico como una estructura de silicona blanda que puede ser controlado neumáticamente. Cuando se suministra aire comprimido, el agarre puede doblarse hacia adentro, permitiendo que se envuelva alrededor de los objetos de forma segura.
Estructuralmente, el agarre tiene dos filas de ventosas adheridas al interior de los tentáculos de silicona. Pequeñas ventosas se colocan en la punta del agarre, proporcionando un efecto pasivo, mientras que ventosas más grandes, impulsadas por vacío, ayudan a que el objeto se adhiera firmemente al agarre.
Festo probó el robot en dos robots ligeros neumáticos también desarrollados en la Bionic Learning Network: el BionicMotionRobot y el BionicCobot. Debido a su naturaleza cinemática, ambos robots eran flexibles y podían endurecerse de manera variable en infinitas formas.
Dado que el tentáculo artificial se desarrolló a partir de un material blando, podía agarrar de forma suave y delicada. La empresa afirmó que la solución tiene un gran potencial para lugares de trabajo colaborativos futuristas.
En cuanto a ingresos, el año financiero 2023 fue un año de consolidación para la empresa. Según uno de los comunicados de prensa de Festo, su facturación registrada estuvo ligeramente por debajo del nivel del año anterior (—4,3 % a alrededor de 3,65 mil millones de euros).
Independientemente de la ligera caída en los ingresos, la empresa afirmó haber continuado invirtiendo fuertemente en investigación y desarrollo y en la expansión del suministro del mercado regional. Más específicamente, la empresa invirtió el 7,7 % de su facturación en investigación y desarrollo en 2023.
Sobre la Robótica que Toma Inspiración de la Naturaleza y el Reino Animal
Hoy, discutimos un caso específico de robótica que toma ideas de las ventosas de un pulpo. Sin embargo, visto desde una perspectiva más amplia, puede tomar inspiración del mundo natural entero que nos rodea. Y múltiples iniciativas de robótica bio‑inspirada ya están en acción en el dominio público.
Por ejemplo, en enero de 2024, se publicó una investigación que presentaba un robot autónomo de crecimiento inspirado en las estrategias adaptativas de comportamiento de las plantas trepadoras para navegar entornos no estructurados. Estos robots podrían imitar los brotes apicales de las plantas trepadoras para percibir y coordinar un crecimiento adaptativo aditivo mediante un mecanismo de fabricación aditiva incorporado y una punta sensorizada.
Investigaciones significativas también se realizaron en el área de materiales compatibles con fabricación de robots blandos. Hace un par de años, un equipo de la Universidad de Minnesota Twin Cities desarrolló un proceso inspirado en plantas para potenciar el crecimiento de materiales sintéticos.
La solución podría ayudar a los investigadores a fabricar robots blandos mejorados capaces de navegar terrenos complejos, incluso dentro del cuerpo humano. Según Matthew Hausladen, el primer autor del artículo, los investigadores se inspiraron mucho en cómo crecen las plantas y los hongos. Los investigadores dijeron:
“Nosotros (el equipo de investigadores) tomamos la idea de que las plantas y los hongos añaden material al final de sus cuerpos, ya sea en sus puntas de raíz o en sus nuevos brotes, y la tradujimos a un sistema de ingeniería.”
El mundo natural ha experimentado infinitamente más cambios y transformaciones de lo que podemos posiblemente imaginar, con animales sobreviviendo y adaptándose durante milenios. Debemos estudiar sus increíbles técnicas de adaptación meticulosamente y observarlas con mayor detalle. Intentar replicarlas en su verdadero espíritu siempre nos ayudaría a lograr mucho más de lo que podríamos imaginar en los campos de la ciencia y la tecnología.
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