Manos como las de un humano: La nueva fabricación aditiva ayuda a que la robótica blanda sea real

En el panorama de la robótica que evoluciona rápidamente, está surgiendo una nueva frontera que promete remodelar nuestra comprensión del campo: la robótica blanda. Este enfoque innovador está avanzando gracias a técnicas de fabricación aditiva de vanguardia. 

En este artículo, exploramos el ámbito de la robótica blanda y examinamos cómo los avances recientes en fabricación aditiva están impulsando esta tecnología hacia adelante.

¿Qué es la robótica blanda?

La robótica blanda intenta introducir tecnologías que se asemejen más a las características físicas de los organismos vivos, reemplazando los movimientos rígidos que asociamos con los robots. Considerada una forma de biomímesis donde las características lineales y rígidas convencionales de la robótica se alejan para dar paso a modelos sofisticados, la robótica blanda imita la vida humana, animal y vegetal. 

Los investigadores estiman que el mercado de la robótica blanda se convertirá en una oportunidad significativamente grande en el futuro, con su tamaño de mercado creciendo de más de US$770 millones en 2022 a casi US$22 mil millones para 2030. Significaría un crecimiento fenomenal de cerca del 75 % CAGR. 

Según Harvard Biodesign Lab, que ayuda a comprender la tecnología de la robótica blanda como actuadores fluidos que poseen matrices elastoméricas con materiales flexibles integrados como tela, papel, fibra y partículas, la robótica blanda se volverá popular por su ligereza, asequibilidad y fácil personalización para una aplicación dada. 

Algunas aplicaciones de la robótica blanda

El Harvard Biodesign Lab estima que hoy en EE. UU. hay cuatro millones de sobrevivientes crónicos de accidente cerebrovascular con hemiparesia y otros seis millones en otros países desarrollados a nivel mundial. Estos sobrevivientes a menudo pierden la capacidad motora de sus manos. La robótica blanda podría ayudarles a abordar este desafío mediante el desarrollo de un dispositivo modular, seguro, portátil, consumible y de rehabilitación y asistencia manual para el hogar. 

En los Estados Unidos, el riesgo de por vida de desarrollar insuficiencia cardíaca es cercano al 20%. Aprovechando la tecnología detrás de la robótica blanda, el Laboratorio está desarrollando un simulador cardíaco de banco y un dispositivo de Compresión Cardíaca Directa (DCC) que ayudará a tratar la insuficiencia cardíaca. 

Con todas estas aplicaciones beneficiosas y más, la robótica blanda puede desempeñar un papel significativo en los esfuerzos de rehabilitación de pacientes y mejora de la calidad de vida en todo el mundo. Cualquier tecnología que ayude a avanzar la causa de la robótica blanda es, por lo tanto, una positiva. Discutiremos algunas de esas técnicas de fabricación hoy. 

Impresión 3D o tecnología de fabricación aditiva en la robótica blanda

3D printing, también conocida como fabricación aditiva, consiste en desarrollar objetos tridimensionales a partir de un archivo digital. Se llama fabricación aditiva debido a su proceso de desarrollo inherente. 

En el proceso aditivo de fabricación, un objeto se desarrolla depositando capas sucesivas de material hasta que se logra la forma y estructura final del objeto deseado. 

Cada una de estas capas no es más que una sección transversal finamente rebanada del objeto deseado. La fabricación aditiva difiere del estilo tradicional de fabricación sustractiva, donde se recortan partes de la forma y tamaños deseados de un gran bloque del material fuente. 

La impresión 3D o fabricación aditiva generalmente involucra un modelo 3D, un software 3D y una impresora 3D. El proceso ya ha encontrado aplicaciones en la fabricación de productos de consumo, productos industriales, productos dentales, prótesis, maquetas arquitectónicas y maquetas, fósiles reconstruidos, réplicas de artefactos antiguos, evidencia reconstruida en psicología forense, props de películas y más. 

Ahora, ha encontrado utilidad en el campo más sofisticado de la robótica blanda. ETH Zurich y una startup estadounidense, Inkbit, lo han hecho posible. 

Aunque Inkbit es una spin‑off del MIT, la Universidad de Ciencia y Tecnología de ETH Zurich data de 1855, “cuando los fundadores de la Suiza moderna la crearon como un centro de innovación y conocimiento”.

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La tecnología en detalle

El avance

El avance que la investigación de ETH Zurich y Inkbit ha logrado es que ha ampliado el alcance de los materiales que pueden usarse en la fabricación aditiva o impresión 3D. Mientras antes la tecnología estaba limitada solo a plásticos de curado rápido, ahora también es adecuada para plásticos de curado lento. Hay muchas ventajas de esta ampliación de alcance. 

Los beneficios

• Los plásticos de curado lento tienen propiedades elásticas mejoradas.
• Son más duraderos y robustos.
• Los plásticos de curado lento permiten imprimir en 3D elementos robóticos complejos y más duraderos.
• La tecnología es compatible con una variedad de materiales de alta calidad
• La ampliación del alcance facilita combinar materiales blandos, elásticos y rígidos.

Y, finalmente,

• Cumplen con el requisito de crear estructuras delicadas y piezas con cavidades según se deseen. 

La aplicación

Con los plásticos de curado lento, se ha vuelto posible combinar los beneficios de la robótica blanda y la fabricación aditiva y crear una sinergia que beneficiará a la humanidad durante mucho tiempo. 

Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado con éxito una mano robótica que posee todas las cualidades de la fisiología humana, como huesos, ligamentos y tendones. Aunque está hecha de diferentes polímeros, el producto final podría fabricarse en una sola pieza. 

Según los investigadores, esto no habría sido posible si no hubieran podido incluir polímeros de curado lento. Según Thomas Buchner, estudiante de doctorado en el grupo del profesor de robótica de ETH Zurich, Robert Katzschmann, y primer autor del estudio:

“Ahora estamos usando polímeros de tioleno de curado lento. Estos tienen muy buenas propiedades elásticas y vuelven a su estado original mucho más rápido después de doblarse que los poliacrilatos.”

La inclusión de polímeros de tioleno ha sido un cambio decisivo para producir la mano bajo los principios de la robótica blanda. Debido a que la mano robótica es tan suave como una mano humana real, tiene menos riesgo de lesiones y puede manejar objetos frágiles mejor. 

Para acomodar la robótica blanda y la fabricación aditiva en el mismo proceso, los investigadores tuvieron que introducir algunas modificaciones a la tecnología de impresión 3D. Añadieron un escáner láser 3D a la impresora, que puede verificar inmediatamente cada capa impresa en busca de posibles irregularidades superficiales. 

Los investigadores también introdujeron un mecanismo de retroalimentación para compensar esas irregularidades. Este mecanismo ayudó a realizar los ajustes necesarios a una capa, teniendo en cuenta la desigualdad, si la hubiera, de la capa anterior. 

ETH Zurich contó con la ayuda de Inkbit, la startup estadounidense, para desarrollar esta tecnología de impresión. 

Inkbit: la startup de tecnología de impresión

Fundada en 2017 por Davide M. Marini, Javier Ramos y Wojciech Matusik, Inkbit es una startup de Serie B con sede en Medford, Massachusetts, Estados Unidos. El propósito de la empresa es crear una plataforma de fabricación aditiva de próxima generación que combine la impresión 3D con visión por máquina. La compañía sigue innovando y desarrollando nuevas soluciones en el área de la impresión 3D. Por ejemplo, a mediados de noviembre de este año, demostró la fabricación en una sola impresión de sistemas complejos y multifuncionales y robots. 

Una semana antes, la empresa había presentado TEPU 50A, un nuevo elastómero de dureza media blanda. 

Hay varios otros actores en el sector a los que Inkbit atiende. Todos ellos, en conjunto, intentan impulsar el progreso de la robótica blanda mediante nuevas técnicas de fabricación aditiva.

Empresas con técnicas transformadoras de fabricación aditiva para ayudar a avanzar la robótica blanda

#1. Flashforge

Recientemente, se desarrolló una pinza blanda modular impresa en 3D con pinzas blandas altamente conformes. Los dedos estaban compuestos de actuadores neumáticos blandos de presión positiva junto con un metamaterial mecánico. El metamaterial integraba una estructura auxética blanda y costillas flexibles. La impresora 3D utilizada en el proceso era una impresora de modelado por deposición fundida fused deposition modeling de la casa de FlashForge Corporation. 

Establecida en 2011, Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD es una de las primeras empresas chinas de I+D y fabricación de equipos y materiales de impresión 3D profesionales. Flashforge productos viajan a casi 100 países y regiones a nivel mundial. 

Ha desarrollado más de 600 distribuidores de marca en más de 50 países y regiones tanto a nivel nacional como internacional. 

FlashForge USA se centra en hacer la impresión 3D ampliamente accesible para instituciones, arquitectos, ingenieros, diseñadores, usuarios industriales y los amplios mercados de consumidores y prosumidores. 

Se estima que Flashforge tiene unos ingresos de más de US$15 million, mientras que FlashforgeUSA supera los US$7 million. 

#2. NinjaTek

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Entre sus muchas soluciones, el Cheetah® 3D Printer Filament de NinjaTek se utilizó para crear huesos flexibles y realistas para manos protésicas. El diseño del dedo requería incrustar un hueso impreso en 3D flexible dentro de un molde de silicona para crear una textura similar a la piel y aumentar la robustez y resistencia de los dedos. El equipo de investigadores responsable del diseño y desarrollo de la mano encontró muy útil el filamento TPU semiflexible Cheetah de NinjaTek para diseñar la pieza protésica.

NinjaTek es parte de Fenner Precision Polymers. Produce filamento especializado para usuarios finales en el sector industrial de la impresión 3D. La compañía ahora es una empresa del Grupo Michelin. 

Michelin Group registró más de 28,5 mil millones de euros en ingresos en 2022, comparado con ingresos cercanos a 24 mil millones de euros en 2021. El ingreso operativo de la compañía como porcentaje de sus ingresos estuvo cerca del 12 % en 2022. 

#3. Fictiv

Otro actor clave en este campo es Fictiv, una empresa que ofrece una gama completa de servicios de impresión 3D y demuestra un fuerte compromiso con el avance de la robótica blanda. Su experiencia es muy solicitada, con grandes compañías de tecnología médica como Medtronic que utilizan los servicios innovadores de Fictiv.

Fictiv cree que los robots blandos son más adaptables y flexibles. Puede “entender mejor varios diseños de agarre y adaptar sus movimientos en consecuencia”. También ve a los robots blandos como más “actuados neumáticamente para agarrar objetos, lo que permite la fácil adición de capacidades de succión”. 

En mayo de 2022, Fictiv anunció el cierre de una ronda de financiación Serie E de 100 millones de dólares. La ronda fue liderada por Activate Capital, incluyendo nuevos inversores como Angeleno Group, Cross Creek y The Westly Group. Otros inversores institucionales de Fictiv incluyen Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners y Standard Investments. La financiación Serie E elevó la inversión total en Fictiv a US$192 millones desde que inició sus operaciones en 2013. 

Impresión 3D o tecnología de fabricación aditiva en la robótica blanda: lo que depara el futuro

La impresión 3D o fabricación aditiva se convertirá en una tecnología clave en la robótica blanda debido a su alta calidad y la capacidad de imprimir múltiples materiales al mismo tiempo. 

Los robots blandos están hechos de fluidos, geles, polímeros funcionales y otros materiales fácilmente deformables, lo que ayuda a que la solución robótica siga operativa incluso cuando se estira y comprime. Es importante que estos materiales sean compatibles con las tecnologías actuales de impresión 3D o fabricación aditiva, que no solo son más rápidas sino también más fiables. Sin embargo, para ser universalmente adaptables, tendrían que mejorar su escalabilidad. 

Otra ventaja que tienen las nuevas tecnologías de fabricación aditiva es su alta especificidad y capacidad para imprimir las formas más complejas. 

Las nuevas técnicas de fabricación aditiva también son útiles a la hora de colocar las fuentes de energía, que son una parte integral de la mayoría de los robots blandos recién desarrollados. Además, las nuevas técnicas de impresión 3D ayudan a colocar inteligentemente esas fuentes dentro de las estructuras robóticas blandas.

Por otro lado, los materiales blandos imprimibles en 3D disponibles actualmente tienden a deformarse significativamente bajo las fuerzas normalmente usadas durante el proceso de construcción debido a su propio peso, lo que requiere la inclusión de material de soporte. Este desafío destaca un área propicia para un mayor desarrollo. Como solución, han surgido hidrogeles viscoelásticos, que pueden soportar presiones que van desde kilopascales hasta megapascales. 

Recientemente, un grupo de investigación también ha desarrollado con éxito una técnica omnidireccional que puede imprimir materiales extremadamente blandos como líquidos que pueden mantenerse en su lugar mediante polimerización en una etapa posterior. 

Otro equipo de investigación, compuesto por estudiantes de la Universidad Tecnológica de Delft, ha introducido otra característica emocionante. Ha ayudado a desarrollar tecnologías de impresión 3D que pueden fundir siliconas en carcasas impresas en 3D. La técnica es de bajo costo y puede ayudar a la robótica blanda a alcanzar nuevas alturas en el futuro. 

Con más investigaciones y estudios científicos sobre el tema, la fabricación aditiva ayudará a que la robótica blanda sea sumamente relevante en el campo de las ciencias médicas y de la salud. Ya ha ayudado a desarrollar guantes robóticos blandos impresos en 3D que son útiles para quienes padecen limitación de la función de la mano, parálisis local y artritis. 

Los científicos también han construido manos protésicas y robots blandos impresos en 3D con cuatro piernas que pueden caminar sobre superficies no uniformes y rugosas como guijarros y arena. 

Además de su uso médico y de rehabilitación de salud, dichos robots blandos pueden ayudar en operaciones de rescate o ser utilizados para recopilar datos de sensores de entornos peligrosos.

En resumen, las oportunidades que presentan las nuevas técnicas de fabricación aditiva para avanzar la causa de la robótica blanda son enormes. Solo tiene que salir del laboratorio para un uso a gran escala en beneficio del público. 

Haga clic aquí para ver las diez principales acciones de fabricación aditiva e impresión 3D.