Robots 3D impresos de bajo costo operan sin electrónica

En el mundo de la fabricación de robots, el sueño de manufacturar máquinas listas para usarectamente de la línea de producción aún está lejos, o al menos lo estaba. Un equipo de investigadores de la Universidad de California sorprendió recientemente al mercado al publicar detalles de un nuevo método de fabricación y diseño de robot que no requiere electricidad y está listo para usarectamente desde la impresora. A continuación, se presentan los detalles sobre los robots impresos en 3D.

¿Cómo se fabrican los robots? Técnicas modernas de fabricación de robots

Hay muchos tipos de robots y aún más formas de crear estos dispositivos. Los robots tradicionales se pueden construir en líneas de ensamblaje y pueden requerir muchos pasos para ensamblar y poner en marcha. Por ejemplo, es posible que un fabricante produzca el cuerpo, mientras que otros producen componentes electrónicos, baterías, controladores y otros componentes principales.

¿Qué son los robots suaves? Beneficios y usos en el mundo real

Los robots suaves son otro tipo de máquina que elimina el esqueleto rígido encontrado en los robots tradicionales. En su lugar, los robots suaves utilizan materiales alternativos como siliconas y diseños que permiten cambiar de forma. Los principales beneficios de los robots suaves son que admiten la manipulación, pueden atravesar entornos complejos y proporcionan una interacción segura con los humanos.

Avances en la impresión 3D de robots suaves con circuitos fluidos

La demanda de robots suaves ha llevado a varias mejoras en los procesos de fabricación. Los avances recientes en la impresión 3D han permitido a los ingenieros diseñar robots suaves más capaces en una sola ejecución. Los métodos de fabricación de robots suaves más avanzados de hoy en día reducen la complejidad de los robots suaves.

Para lograr esto, se utilizan circuitos neumáticos que aprovechan las respuestas no lineales de los materiales. El uso de circuitos de control fluidos permite a los ingenieros fabricar más dispositivos en un solo lugar. Notablemente, los ingenieros de este proyecto también fueron fundamentales en otros trabajos, incluyendo la creación de un robot impresor y gateador 3D con circuitos de control integrados.

Desafíos en la impresión 3D y ensamblaje de robots suaves

Hay muchos problemas que aún enfrenta el sector de fabricación de robots suaves. Por un lado, los sistemas de moldeado por vacío permiten la creación de piezas, pero controlar las unidades aún requiere componentes adicionales. Además, es costoso, laborioso y no está disponible para la mayoría de las personas.

En muchos casos, se requiere un sistema complejo de bombas, válvulas y otros componentes electrónicos que se conectan al cuerpo en una placa separada a través de cables para lograr cualquier forma de locomoción controlada. La necesidad de tener el robot conectado elimina sus beneficios y limita sus capacidades de robot suave, como navegar por espacios estrechos o entornos.

Nuevo estudio revela un robot caminador 3D impresos y sin electrónica

El estudio “Fabricación digital de escritorio monolítica de robots caminadores autónomos”, publicado en la revista Advanced Intelligent Systems, destaca cómo los ingenieros desarrollaron un robot de seis patas completamente impresos en 3D, sin electrónica, que puede caminar inmediatamente después de la impresión. Lo más impresionante es el hecho de que el dispositivo se alimenta únicamente de una fuente de presión de aire constante.

El estudio es revolucionario por varias razones. Por un lado, explica en detalle cómo los ingenieros pueden superar los desafíos de la impresión 3D de una válvula cerrada. En el informe, el equipo logra con éxito la locomoción del robot fuera de la impresora utilizando oscilación simétrica a través de válvulas de retardo de fase neumáticas.

¿Cómo permiten las impresoras 3D de escritorio robots suaves completamente funcionales?

Notablemente, los ingenieros utilizaron una impresora 3D de escritorio comercial disponible para crear componentes suaves con geometrías complejas que requieren un mínimo de mano de obra humana. Los ingenieros investigaron varios materiales. Incluso llegaron a asociarse con la corporación BASF a través de su Alianza de Investigación de California (CARA) para probar qué materiales funcionaban mejor para crear el marco, los músculos artificiales y un sistema de control del robot de seis patas.

Fuente UC San Diego

Un robot caminador 3D impresos que funcionaectamente desde la impresora

El robot caminador que el equipo imprimió es capaz de caminar por sí solo sin componentes electrónicos. En su lugar, depende del aire comprimido y una red de válvulas que se abren y cierran según los cambios de presión para mover sus seis patas. Notablemente, la creación del equipo puede atravesar terrenos difíciles, sin cables, utilizando solo una cartucho de gas comprimido como fuente de alimentación.

Patas del robot

Uno de los aspectos únicos del robot es su diseño de patas. Las seis patas se imprimieron utilizando filamento de impresión 3D comercialmente disponible. Cada una de las patas integra actuadores neumáticos impresos suaves y antagonistas. Esta configuración proporciona a cada pierna cuatro grados de movimiento. Cada pierna puede moverse hacia arriba, hacia abajo, hacia adelante y hacia atrás.

Para crear una acción de caminata, las patas necesitan conectarse a alguna forma de aire o fluido presurizado. Bajo presión constante, un conjunto de patas se doblará hacia abajo, levantando el cuerpo más alto y ayudando al robot a superar terrenos difíciles. Al mismo tiempo, otro conjunto de patas se elevará ligeramente. A partir de ahí, el conjunto final de patas se dobla hacia abajo y hacia atrás para crear una acción de empuje hacia adelante. Esto hace que las patas delanteras se doblen hacia abajo, completando un ciclo de paso.

Actuadores suaves

Notablemente, el dispositivo puede realizar esta tarea gracias a la integración de circuitos fluidos incrustados en el cuerpo del robot. Imprimir estos dispositivos fue más difícil de lo que imaginarías. Los ingenieros tuvieron que esforzarse para determinar la mejor manera de imprimir estos componentes herméticos, como actuadores, válvulas y sensores.

Circuito oscilante neumático

En el núcleo de este diseño de robot suave de última generación se encuentra un circuito de oscilador fluido impresible. Este circuito genera cuatro señales de presión de salida cíclicas, que son vitales. Los ingenieros crearon que logren esta tarea utilizando solo una entrada de presión única.

Determinaron que una válvula de oscilación monolítica de cuatro fases y bistable era la mejor solución. Su válvula de oscilación personalizada integra seis estados en un ciclo de trabajo. Para lograr esta tarea, utiliza los movimientos mecánicos de las membranas internas y los canales de la válvula para manipular los umbrales, creando cambios de estado debido a los cambios de presión graduales.

Cada válvulaige el flujo de aire hacia la siguiente etapa del proceso cuando se alcanzan los límites de presión. Resulta interesante que, cuando se les preguntó sobre cómo surgió esta idea, respondieron que el diseño se inspiró en las primeras locomotoras de vapor.

¿Cuán duradero es un robot 3D impresos? Resultados de las pruebas revelados

La fase de pruebas de laboratorio del robot suave comenzó con un proceso de monitoreo en aire abierto. En este paso, se levantó el robot y se aplicó presión de aire. El equipo registró las acciones exactas que el robot realizó y cómo afectarían el movimiento si el robot estuviera en el suelo. Después de registrar los movimientos de las patas en el aire, el equipo pudo ajustar el diseño para crear un patrón de caminata distintivo.

La siguiente prueba fue ver cómo funcionaba el robot con solo presión de aire. El equipo probó la operación sin electrónica del robot utilizando una cartucho de CO2 de 16 g con un regulador mecánico ajustado a 20 psi. Notaron que podían obtener aproximadamente 80 segundos de operación con esta configuración.

Prueba de vida útil

A continuación, se probó la durabilidad a través de ciclos de vida. El equipo se centró en probar una sola válvula para obtener el mayor detalle. Como parte de la prueba, se aplicó presión constante y se registraron sus efectos. Notaron que la válvula de oscilación funcionó durante 19,809 ciclos antes de fallar por completo.

Resultados de las pruebas de robots 3D impresos

Las pruebas de laboratorio revelaron algunos resultados impresionantes. Por un lado, el robot creado por el equipo podía atravesar una amplia variedad de terrenos. El robot cruzó con éxito césped, arena y varios terrenos difíciles, incluyendo bajo el agua.

Resulta interesante que el robot caminó 85 cm en 21 segundos a 4 cm por segundo durante sus pruebas en superficies lisas. Las pruebas revelaron que la acción de levantamiento de las patas en la primera secuencia de su paso ayudó al robot a ganar suficiente altura para viajar a través de entornos difíciles.

La prueba de durabilidad muestra que los dispositivos pueden funcionar sin parar durante tres días seguidos. Además, el equipo descubrió que el punto débil principal del diseño son las cuatro membranas en la válvula de oscilación. Este descubrimiento no fue una gran sorpresa, ya que estos son los componentes que soportan la mayor presión de aire, fuerza repetida y flexión dentro del sistema.

Beneficios de la impresión 3D de robots suaves sin electrónica

Hay varios beneficios que el estudio de robots 3D impresos proporciona. Por un lado, estos dispositivos se pueden imprimir utilizando una solución de impresión 3D de escritorio regular. Este enfoque significa que estas unidades están disponibles para la persona o empresa promedio. Están listas para usarectamente desde la impresora y no requieren interacción humana ni limpieza después de la impresión para ser operativas.

¿Por qué los robots 3D impresos sin electrónica son un cambio de juego?

Definitivamente, uno de los aspectos más interesantes del proyecto es la decisión de eliminar la necesidad de electrónica. La capacidad de estos robots para operar sin electrónica significa que son la solución obvia para entornos que no son amigables con la electrónica.

Los estudios científicos en el espacio o alrededor de lugares con alta radiación o campos magnéticos son un ejemplo principal de dónde estos dispositivos serían útiles. Además, los entornos subacuáticos siempre han sido problemáticos para la electrónica tradicional debido a las limitaciones de presión.

Robótica de bajo costo: cómo la impresión 3D está haciendo que los robots sean más asequibles

Este estudio abre la puerta para la impresión de robots superbaratos. El dispositivo que el equipo de ingenieros creó costó alrededor de $20. Si bien esto solo puede caminar, los diseños futuros podrían ayudarlo a realizar tareas básicas sin aumentar su factura de electricidad o costos de fabricación.

Robots 3D impresos: usos en el mundo real y cuándo esperarlos

Hay varias aplicaciones para robots sin electrónica. Estos dispositivos podrían enviarse para realizar vigilancia importante en áreas hostiles o peligrosas. La ventaja de este enfoque es que se puede dejar caer una impresora en el lugar y crear robots en el sitio. Esta estrategia permitiría un transporte más fácil.

Los datos contenidos en el estudio de robots suaves podrían conducir al despliegue rápido de unidades resistentes y de bajo costo en entornos donde fallan la electrónica tradicional, como áreas con radiación fuerte, zonas de desastres o incluso otros planetas. Dada la simplicidad y asequibilidad del diseño, las aplicaciones prácticas podrían surgir dentro de los próximos 3 a 5 años.

Conoce al equipo detrás del robot 3D impresos sin electrónica

El estudio de robots 3D impresos se llevó a cabo en la Universidad de California, San Diego. Los autores principales incluyen a Yichen Zhai, Jiayao Yan y Michael T. Tolley. El documento también enumera a Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta y la Alianza de Investigación de California de BASF como contribuyentes al trabajo. Además, el estudio fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencia.

Notablemente, este equipo ha sido fundamental en el desarrollo de la tecnología de robótica suave. El grupo presentó un agarre robótico sin electrónica en 2022. Esta experiencia les ayudó a crear la próxima generación de dispositivos sin electrónica. Ahora, su objetivo es encontrar formas de mover el almacenamiento de gas comprimido hacia el interior y investigar materiales más biodegradables.

Principales empresas que avanzan en la impresión 3D y la robótica suave

El uso de robots en el hogar y la empresa está en aumento. Como tal, hay una fuerte demanda para dominar este mercado. Notablemente, los mercados de robótica y impresión 3D tienen muchos jugadores clave. Estas empresas han invertido miles de millones en I+D para crear dispositivos de próxima generación. A continuación, se presenta una empresa que continúa innovando y entregando.

3D Systems Corporation

3D Systems Corporation (DDD ) entró en el mercado en 1986 y tiene su sede en California. Su objetivo inicial era ofrecer servicios de impresión 3D de próxima generación a clientes comerciales. Como pionera en la impresión 3D, la empresa fue fundamental en la creación de prototipos y otros componentes críticos para los mercados aeroespacial, automotriz, sanitario, entretenimiento e industrial.

Hoy en día, 3D Systems está a la vanguardia de la mejora de las tecnologías de fabricación aditiva, incluyendo aplicaciones en robótica. La empresa tiene +1,925 empleados y reportó $488M en ingresos en 2023. Además, la empresa firmó una asociación estratégica con Daimler Buses para proporcionar impresoras 3D locales que puedan crear piezas de repuesto.

Últimas noticias sobre 3D Systems Corp.

Robots 3D impresos

Estos avances representan otro paso adelante en la evolución de la robótica suave. Al eliminar la necesidad de electrónica y permitir la funcionalidad completaectamente desde una impresora 3D de escritorio, esta investigación allana el camino para máquinas asequibles, resistentes y desplegables en entornos donde los robots tradicionales no funcionan. A medida que continúa el desarrollo, las posibles aplicaciones, desde el alivio de desastres hasta la exploración espacial, son vastas y emocionantes. Un fuerte saludo a estos ingenieros por su arduo trabajo y esfuerzos que podrían alterar el curso de la industria de la robótica en el futuro.

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Estudios citados:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Fabricación digital de escritorio monolítica de robots caminadores autónomos. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}