Mejorando la Robótica Blanda con ‘Energía Incorporada’ Abre Nuevas Posibilidades

La robótica es un mercado de rápido crecimiento, proyectado para expandirse de $94.54 mil millones en 2024 a superar $372.59 mil millones para 2034. 

Los robots industriales son actualmente los que lideran este crecimiento. Hoy, más de 3.4 millones de robots industriales están trabajando para facilitarnos la vida. Las empresas industriales también planean invertir el 25 % de su capital en automatización industrial durante los próximos cinco años.

A medida que la robótica sigue ganando tracción, un subcampo de la robótica también está captando la atención de los investigadores. Con el aumento de la demanda de robots en aplicaciones más allá de la automatización industrial, el subcampo de la robótica blanda está despertando un interés creciente.

Estos robots copian los mecanismos de locomoción de cuerpos blandos y flexibles que existen en la naturaleza, como serpientes, lombrices de tierra, anguilas, pulpos y otros. 

La robótica blanda toma inspiración de las estructuras biológicas de estos cuerpos blandos para su movimiento suave y complejo. En lugar de usar componentes duros y metálicos como los robots tradicionales, los robots blandos se fabrican típicamente con materiales flexibles como gel y caucho. Esto les permite adaptarse a entornos complejos e interactuar con humanos de forma segura.

Para su activación, se utilizan diversas formas, como estímulos térmicos, señales eléctricas y presurización de aire, entre otras. Las fuentes de su activación suelen encontrarse fuera del cuerpo del robot y controlan sus movimientos.

Estos robots ofrecen los beneficios de adaptabilidad y mayor seguridad. El uso de materiales flexibles y ligeros los hace particularmente adecuados para la interacción directa con humanos, ya que reduce el riesgo de lesiones. Esto los hace altamente beneficiosos en aplicaciones como la atención sanitaria y la tecnología portátil.

Tener articulaciones flexibles y pinzas blandas permite que estos robots se doblen, retornen y estiren con facilidad. La capacidad de realizar movimientos biológicos los hace útiles en tareas que pueden no ser seguras para los humanos o que requieren un alto grado de control. Su flexibilidad estructural y destreza también los hacen idóneos para manipular objetos frágiles y ejecutar otras tareas delicadas.

Pero, por supuesto, los robots blandos también enfrentan desafíos como fuerza limitada, baja precisión, baja durabilidad, dificultad en la fabricación y escalado, y la necesidad de algoritmos avanzados y sistemas de detección extensos.

Sin embargo, dado que la capacidad de los robots blandos coincide estrechamente con la de los organismos biológicos blandos, son una característica prometedora en una variedad de campos como la salud, la agricultura, la búsqueda y rescate, y la exploración espacial.

Varios robots blandos prometedores ya han sido desarrollados. Por ejemplo, el robot tentáculo de Harvard, cuyo pinza blanda similar a una medusa puede agarrar suavemente objetos frágiles al imitar la mecánica del cabello rizado.

En el campo de la salud, K-FLEX del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología Avanzada tiene la capacidad de realizar cirugías endoscópicas sin cicatrices, y el corazón biónico del MIT puede ayudar a los profesionales médicos a estudiar enfermedades cardiovasculares y determinar el mejor tratamiento para los pacientes.

Los robots blandos también se están utilizando para explorar los océanos. Hace algunos años, investigadores chinos presentaron un robot blando autoalimentado que puede alcanzar el punto más profundo — la Fosa de las Marianas. En cuanto a la exploración espacial, los robots blandos excavadores patrocinados por la NASA pueden navegar terrenos arenosos y podrían ser enviados algún día a explorar las lunas de Júpiter.

A medida que avanza la investigación sobre robots blandos, incluso se puede esperar que reemplacen a los robots rígidos en diversas aplicaciones. 

La Evolución de las Especies de Robots Blandos

Un nuevo estudio del Cornell Engineering ha presentado un robot terrestre sin ataduras que se desplaza arrastrándose, con un sistema de energía modular integrado a lo largo de su cuerpo blando. 

Antes de crear este robot gusano, el laboratorio construyó un robot medusa en colaboración con el Archer Group del Cornell Engineering. Ambos son descendientes directos de un robot blando acuoso que se presentó hace seis años. 

Así que, en 2019, investigadores de la Universidad Cornell presentaron un artículo¹ titulado “Sistemas vasculares electrolíticos para robots de alta densidad energética”. El sistema, que emulaba baterías de flujo redox, combinó las funciones de transmisión de fuerza hidráulica, activación y almacenamiento de energía en un solo diseño que aumentó la densidad energética del robot, permitiendo su operación durante hasta 36 horas. 

Para ello, los investigadores se inspiraron en un pez león, que usa aletas ondulantes en forma de abanico para deslizarse por entornos de arrecifes de coral.

En ese momento, los investigadores señalaron que “este uso del almacenamiento de energía electroquímica en fluidos hidráulicos podría facilitar una mayor densidad energética, autonomía, eficiencia y multifuncionalidad en futuros diseños de robots”.

Hace unos meses, se publicó un nuevo artículo², “El uso multifuncional de una batería acuosa para un robot medusa de alta capacidad”. En esta ocasión, una batería de flujo redox (RFB) se formó con la forma de una medusa, lo que permite un uso multifuncional de la energía. 

Las medusas están mayormente compuestas de una sustancia llamada “mesoglea”, que sirve como esqueleto interno. Este material hace que el cuerpo de la medusa sea elástico y ayuda a restablecer su forma después de deformarse por la contracción muscular. La mesoglea está formada por microfibrillas que contienen fibrilina, que la medusa usa para impulsar sus músculos además de permitirle moverse y alimentarse.

El robot se alimentó exclusivamente de RFBs con mayor densidad energética volumétrica y areal, lo que resultó en una larga vida operativa para UUVs compuestos mayormente de líquido, que es electroquímicamente denso en energía.

Ahora, la investigación³ ha evolucionado aún más, al igual que la vida terrestre, impulsada por el desarrollo y diseño de baterías.

Según Rob Shepherd, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, quien lideró el proyecto anterior y este nuevo:

“Así es como la vida en tierra evolucionó. Comienzas con el pez, luego obtienes un organismo simple apoyado en el suelo. El gusano es un organismo simple, pero tiene más grados de libertad.”

El mismo “sangre de robot”, es decir, el fluido hidráulico que almacenaba energía y alimentaba las aplicaciones de los robots anteriores, también está sustentando la nueva especie de robot. Esta vez, sin embargo, los investigadores han mejorado aún más el diseño para lograr mayor capacidad de batería y densidad de potencia.

La medusa, señaló Shepherd, tiene mucha más capacidad para su peso. Esto incrementó la duración del tiempo que el robot pez podía viajar, superando al pez real. Ahora, su primera versión sobre tierra es el gusano, que se sostiene de forma flotante bajo el agua y no necesita un esqueleto, lo que significa que no necesita ser rígido.

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Energía Incorporada Impulsando los Robots Blandos

A medida que la demanda de mayor agilidad en la robótica crece, también lo hará su complejidad. Esto implica un aumento en la densidad de sensores y grados de libertad (DoF), que es el movimiento independiente de un objeto.

Como resultado, el consumo de energía de los robots probablemente también aumentará, lo que convierte la capacidad energética en un factor importante a considerar.

Aquí es donde la energía incorporada entra en escena. Es una estrategia de diseño que mejora la densidad energética a nivel de sistema mediante el uso multifuncional de fuentes de energía integradas. Este enfoque básicamente incluye fuentes de energía dentro del cuerpo de la máquina, lo que reduce su costo y peso.

El robot gusano modelo construido por el Laboratorio de Robótica Orgánica y su medusa ambos demuestran los beneficios de esta “energía incorporada”. 

Al incorporar la energía almacenada en baterías como parte integral de la estructura y la maquinaria del robot, los investigadores han logrado mejores resultados. El estudio señaló:

“Incorporar una fuente de energía en módulos de actuador de tendón impulsados por motor proporciona una unidad muscular artificial componible en robots capaces de realizar trabajo útil durante períodos prolongados.”

Ambos robots presentan una batería de flujo redox (RFB), que es un tipo de sistema electroquímico que almacena energía mediante dos componentes químicos disueltos en líquido. 

En el caso del robot con forma de medusa, la RFB se construyó con un tendón. Cuando el tendón se tira, cambia la forma de la campana y empuja la criatura hacia arriba, hundiéndose nuevamente cuando la campana se relaja. 

Más importante aún, el robot medusa cuenta con un par de baterías redox: yoduro de zinc (ZnI2) y bromuro de zinc (ZnBr2). Se añadió bromo al yodo en una de las baterías para mejorar el transporte iónico, lo que aumentó la capacidad de la batería y su densidad de potencia. Como resultado, el robot medusa fue más rápido y ágil, con una vida operativa de aproximadamente 90 minutos.

Ahora, para evitar el problema de la acumulación de dendritas en los sustratos eléctricos de las baterías, que obstaculizan su carga y descarga, los investigadores utilizaron grafeno. Aplicar grafeno les permitió ajustar mejor los planos cristalinos y lograr una deposición más uniforme del zinc. 

El robot gusano presenta un diseño compartimentado. El cuerpo del gusano es una serie de cápsulas interconectadas, cada una de las cuales contiene un motor y un actuador de tendón que permite al gusano comprimir y expandir su forma. Cada cápsula también contiene un montón de bolsas de anolito sumergidas en un catolito.

Un elemento esencial del diseño fue usar un método de adhesión en seco para unir automáticamente los separadores de Nafion al cuerpo de copolímero de silicona-uretano del gusano. El separador mantiene los anolitos y catolitos separados mientras permite que la carga se mueva entre ellos, lo que a su vez impulsa los electrones a través del motor.

“Hay muchos robots que se alimentan hidráulicamente, y nosotros somos los primeros en usar el fluido hidráulico como batería, lo que reduce el peso total del robot, porque la batería cumple dos propósitos: proporcionar energía al sistema y proporcionar la fuerza para moverlo. Así puedes tener cosas como un gusano, donde casi toda la energía,, por lo que puede viajar largas distancias.”

– Shepherd

Al probar el robot gusano, los investigadores descubrieron que puede avanzar lentamente por el suelo así como subir y bajar por una tubería vertical. Mientras el robot gusano puede navegar por un camino curvo y cerrado y escalar, es bastante lento, aunque sigue siendo más rápido que otros gusanos robotizados alimentados hidráulicamente. Con una sola carga, el gusano tarda 35 horas en recorrer 105 metros.

Según los investigadores, el gusano puede encontrar aplicación en la exploración de entornos confinados como pasajes largos y estrechos y, posiblemente, en la realización de reparaciones. En cuanto a la medusa, su caso de uso se encuentra en la exploración oceánica. 

Respaldado por la Oficina de Investigación Naval y el Programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, esta investigación es solo el comienzo, ya que el enfoque de su trabajo futuro será una RFB totalmente líquida. El estudio señaló que la batería de polisulfuro-yoduro, con su alta densidad energética y bajo costo, muestra particularmente promesa para aplicaciones de robótica blanda.

En última instancia, el equipo aspira a construir robots de energía incorporada de alta capacidad. Estos futuros robots también tendrán esqueletos y podrán incluso caminar, resultando en robots que se asemejan a humanos.

“Un organismo imperfecto. Pero aún así funciona bastante bien.”

– Shepherd

Empresas Relevantes

Ahora, echemos un vistazo a un par de empresas cotizadas en bolsa que están ayudando a impulsar el campo de la robótica. 

1. iRobot Corporation

Una empresa global de robots de consumo, iRobot está involucrada en el diseño, la fabricación y la venta de robots duraderos. Sus productos incluyen Roomba, Braava y Root. iRobot ha vendido decenas de millones de sus robots en todo el mundo.

Con una capitalización de mercado de $231 millones, las acciones de iRobot cotizan actualmente a $7.59, con una caída del 2.45 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -4.60, mientras que su ratio P/E (TTM) es -1.64.

Más recientemente, la compañía informó resultados financieros preliminares del cuarto trimestre de 2024, según los cuales espera unos ingresos de $171 millones y una pérdida operativa GAAP de $59 millones. También espera que su efectivo y equivalentes al final del ejercicio fiscal 2024 sean aproximadamente $134 millones.

Los resultados, dijo el CEO Gary Cohen, “reflejan un gasto promocional estacional más alto de lo anticipado para estimular las ventas antes de los lanzamientos de nuevos productos en 2025.” También comentó que iRobot ha “cambiado fundamentalmente la forma en que innovamos, desarrollamos y construimos nuestros robots,” y que sus lanzamientos de productos planificados “diseñados para entusiasmar a los consumidores con robots ricos en funciones y mejorar la experiencia del producto de consumo” están en camino de lanzarse este año.

2. Teradyne

Un proveedor global de equipos de prueba automatizados y soluciones de robótica, Teradyne opera a través de cuatro segmentos cuyo enfoque está en semiconductores, productos inalámbricos, sistemas que cubren almacenamiento, aeroespacial y placas de circuito, y robótica, que abarca brazos robóticos, robots móviles autónomos y software avanzado de control robótico.

La compañía ha desplegado más de 80 000 sistemas robóticos avanzados en todo el mundo y ha invertido más de $700 millones en robótica avanzada y automatización. Los robots MiR de Teradyne optimizan el transporte interno y la manipulación de materiales, mientras que sus cobots respaldan una amplia gama de aplicaciones. Sus soluciones de automatización permiten a las empresas mejorar su eficiencia operativa al integrar el poder de las máquinas.

Con una capitalización de mercado de $18.74 mil millones, las acciones de Teradyne cotizan actualmente a $116, con una caída del 8.61 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es 3.32, mientras que su ratio P/E (TTM) es 34.68. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 0.42 %.

Para el cuarto trimestre de 2024, la compañía reportó ingresos de $753 millones, de los cuales $98 millones provienen de la división de Robótica y el resto del segmento de semiconductores. Su ingreso neto GAAP para el trimestre fue de $146.3 millones o $0.90 por acción diluida.

El CEO Greg Smith atribuyó este crecimiento a una fuerte computación de IA y memoria relacionada, mientras que los sectores Móvil y Auto/Industrial superaron las expectativas. Se espera una aceleración de los ingresos para este año, con Teradyne planeando realinear estratégicamente su negocio de Robótica para mejorar la experiencia del cliente y impulsar la eficiencia operativa.

3. Zimmer Biomet

Una empresa global de tecnología médica, Zimmer Biomet (ZBH ) está involucrada en biológicos, medicina deportiva, extremidades, productos de trauma, productos quirúrgicos y una suite de tecnologías robóticas que utilizan datos, análisis de datos e IA. 

Con una capitalización de mercado de $22 mil millones, las acciones de Zimmer Biomet cotizan actualmente a $110.10, con un aumento del 4.72 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es 5.25, mientras que su ratio P/E (TTM) es 21.07. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 0.87 %.

Para el tercer trimestre de 2024, la compañía reportó ventas netas de $1.824 mil millones, lo que representó un aumento del 4 % respecto al período del año anterior, mientras que sus ganancias netas fueron de $249.1 mil millones. Las ganancias diluidas por acción para el trimestre fueron $1.23, mientras que las ganancias diluidas ajustadas fueron $1.74. Tras este “rendimiento sólido”, el CEO Ivan Tornos dijo que continuarán avanzando su “misión de ayudar a millones de personas a aliviar el dolor y mejorar su calidad de vida.” 

Durante este período, la compañía adquirió OrthoGrid Systems, una empresa de tecnología médica centrada en sistemas de guía quirúrgica impulsados por IA para reemplazos totales de cadera. Ahora también está preparada para adquirir Paragon 28, una empresa de dispositivos médicos, en un acuerdo de $1.1 mil millones para tratar enfermedades del pie y el tobillo.

Conclusión

Con la creciente demanda de automatización y eficiencia, también aumenta la popularidad de la robótica. En este contexto de fuerte crecimiento, el subcampo de la robótica blanda está viendo mucha innovación, desbloqueando nuevas aplicaciones en salud, exploración e automatización industrial. 

La evolución de la robótica blanda —que combina la adaptabilidad inspirada en organismos vivos con energía incorporada— lleva el potencial de superar finalmente las limitaciones históricas de durabilidad y eficiencia energética. A medida que los investigadores, respaldados por iniciativas gubernamentales, continúan refinando el diseño de robots y fuentes de energía multifuncionales, estas máquinas se están convirtiendo gradualmente en una realidad, mejorando la accesibilidad, la eficiencia y la seguridad.

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