Uso de resortes para reducir el consumo de energía en la robótica

Una iniciativa de investigación financiada por la National Science Foundation la semana pasada brinda algunas ideas sobre cómo los resortes podrían hacer que los motores sean más eficientes en el futuro. El estudio fue presentado por dos ingenieros mecánicos, Erez Krimsky y Steven H. Collins. En su informe, detallan los beneficios de un motor híbrido de resortes antes de revelar un prototipo funcional.  Aquí tienes lo que necesitas saber.

Por qué los resortes podrían ser la respuesta

Los resortes pueden parecer una solución poco probable para el desgaste de los motores o el requerimiento de un consumo masivo de energía. Sin embargo, algunas características únicas hacen que los resortes sean ideales para esta tarea. Por un lado, pueden producir torque sin requerir energía.

Los resortes pueden almacenar energía elástica, cuando se estiran, con casi ninguna pérdida. Esta energía elástica puede convertirse directamente en fuerza mecánica de manera eficiente. Además, los resortes pueden ajustarse o usarse en conjunto para aumentar o disminuir el torque cuando sea necesario.

Desafíos a superar

En el pasado hubo mentes intuitivas que reconocieron el potencial de los resortes para almacenar y convertir energía. Sin embargo, se necesitaban superar desafíos distintos para que alguno de esos proyectos anteriores tuviera éxito. Por un lado, los resortes son notoriamente difíciles de controlar.

Sí, si tiras de un resorte este volverá a rebotar. El problema es crear un resorte que rebote al mismo ritmo durante miles o millones de usos. Por lo tanto, una de las primeras cosas que los ingenieros tuvieron que averiguar fue cómo controlar los resortes que querían integrar.

Nuevo diseño de resorte

Después de una breve deliberación, decidieron que se requería un nuevo diseño. Crearon una configuración completamente nueva de resorte activado por energía elástica y ligera para el proyecto. Estos resortes están hechos de un material elástico que se estira a lo largo del marco tensionado. Cuando se aplica una corriente eléctrica, el resorte se retrae y se aprieta. Esta estrategia permitió a los desarrolladores apilar cuatro resortes uno al lado del otro.

El uso de múltiples resortes añade torque adicional y opciones de control al motor. Los usuarios pueden activar uno o varios resortes cuando aumentan los requisitos de potencia. Este enfoque les permitió crear una versión pequeña de su motor, que podría usarse en aplicaciones comerciales y robóticas en el futuro.

El prototipo – actuador de reciclaje

El prototipo oficial del motor actuador elástico paralelo ya está en fases de prueba. Este diminuto motor integra cuatro resortes electrostáticos que funcionan en paralelo. Esta estructura también permite al motor aprovechar los resortes para reducir la carga de trabajo, añadir potencia y reducir el desgaste mecánico.

Los resultados de las pruebas muestran promesa

El informe mostró algunos resultados de pruebas impresionantes del prototipo. Los desarrolladores pusieron el actuador a través de múltiples casos de prueba cíclicos para intentar medir los efectos de los resortes en el dispositivo. Desde el principio quedó claro que los resortes mejoraron la eficiencia considerablemente.

Lo que es aún más interesante es que los desarrolladores descubrieron que los resortes actuaban como una caja de cambios en un motor, ya que se podían cambiar de marcha para obtener más torque. A diferencia de las cajas de cambios tradicionales que requieren embragues mecánicos para alterar el torque, esta configuración integra sin problemas embragues eléctricos que se activan cuando se necesitan.

Embragues electroadhesivos

El uso de pares de embragues electroadhesivos para mantener los resortes bloqueados con tensión fue una gran innovación. Estos embragues fueron diseñados para ser lo más delgados posible y así reducir el peso. Son recubiertos con dieléctrico y pueden pasar sin fricción cuando no están cargados. Notablemente, los embragues se bloquean en su lugar cuando se les aplica voltaje.

Este tipo de embrague eléctrico requiere una potencia mínima y brinda una respuesta casi instantánea. Además, ofrecen alta eficiencia comparada con las opciones mecánicas y pueden producirse a bajo costo. Estos factores hacen que su uso en motores de resortes electrostáticos pueda convertirse en la norma.

Beneficios que los motores de resorte aportan al mercado

Hay muchos beneficios que este estilo de motor aporta al mercado. Por un lado, mejora la eficiencia en un sector enorme del mercado. Estos dispositivos están construidos para ser energéticamente eficientes y sostenibles. Además, su diseño ligero requiere mucho menos energía para transportarse o operar.

Reducir el desgaste del motor

Otra ventaja importante de este estilo de motor es que reduce el desgaste. Los motores actuales son responsables de manejar todos los aspectos de sus movimientos mecánicos. Esto significa que un motor que estampa un artículo en una línea de ensamblaje usa su energía para estampar y levantar el sello después de la acción.

Imagina el mismo robot, pero en su turno, solo tiene que presionar hacia abajo. Los resortes entonces se activan y levantan la placa nuevamente. Este estilo de integración de resortes podría reducir significativamente el desgaste del motor al eliminar la mitad de su ciclo operativo. También reduce el desgaste térmico. Los motores calientes funcionan con menos eficiencia y son más propensos a fallas.

En teoría, los motores impulsados por resortes podrían durar el doble que sus contrapartes totalmente mecánicas. Requerirían menos energía para operar y serían más fáciles de enviar o usar sobre la marcha. Estos factores continúan impulsando a más investigadores a profundizar en el sector.

Versatilidad

El motor de resorte de los investigadores demostró ser versátil. La configuración mecánica permite que cada resorte se active y desactive individualmente cuando sea necesario. Esta estructura también brinda un control fino y elimina pérdidas de energía.

A medida que la robótica se expande, hay una demanda continua de unidades que posean habilidades motoras finas. Sorprendentemente, es más fácil encontrar un robot que pueda levantar un coche que uno que pueda recoger un huevo sin romperlo. Los motores de actuador de resortes podrían ser el eslabón faltante en esta búsqueda, ya que permiten a los ingenieros aplicar una presión fina exacta cuando se necesita sin añadir peso.

Mayor eficiencia energética

El uso de resortes para acortar el ciclo operativo de los motores tiene sentido y los datos lo demuestran. El informe del investigador muestra que su motor redujo el consumo de energía en un 50 % en promedio. El estudio reveló que, dependiendo de la tarea, el ahorro de energía podría llegar hasta un 97 %. Por lo tanto, hay mucho entusiasmo alrededor de cómo estos motores permitirán que los dispositivos lleguen más lejos y operen más tiempo que nunca.

Almacenar energía de manera eficiente

Otro gran beneficio es la capacidad de los ingenieros para integrar la recuperación de energía elástica para alimentar baterías. Los resortes pueden usarse como una batería mecánica o en conjunto con formas tradicionales de baterías para mejorar la eficiencia de almacenamiento y conversión. El uso de embragues de bajo consumo por parte de los ingenieros es un ejemplo de cómo esta tecnología podría alimentar las baterías del futuro.

Impactos en el mercado

Este último desarrollo tiene el potencial de revolucionar una variedad de mercados que dependen o están aumentando su dependencia de los robots. Los motores de resorte podrían ayudar a crear sistemas robóticos de bajo consumo que puedan trabajar largas jornadas sin necesidad de carga.

La revolución tecnológica ya está aquí y los robots cotidianos están asumiendo más tareas diarias de los humanos. A medida que estos dispositivos se vuelvan más conscientes de su entorno, añadan capacidades y aprendan a comunicarse fluidamente con los humanos, la demanda de motores de bajo consumo aumentará exponencialmente.

Fabricación

Los sectores manufacturero e industrial han buscado robots de bajo consumo durante décadas. Grandes empresas ya han invertido miles de millones en su infraestructura robótica. Estos primeros robots les ahorraron miles de millones pero requerían mucha energía y mantenimiento debido a su diseño.

La próxima generación de robots costará menos operar, será más inteligente y requerirá menos mantenimiento. Estos dispositivos ya están ingresando al mercado aprovechando sistemas avanzados de IA. En el futuro, los motores de resorte podrían ayudar a los fabricantes a reducir sus costos a la mitad mientras mejoran la calidad de sus productos.

Cuidado de la salud

Cuando piensas en robótica, la salud puede no ser la primera industria que viene a la mente. La integración de la robótica en la salud lleva décadas y este último desarrollo podría poner las cosas en hiperimpulso. La naturaleza ligera y duradera de los motores de resorte podría algún día hacer que las prótesis o exoesqueletos sean más accesibles.

Los robots ya están ayudando a personas con discapacidades a disfrutar de vidas más plenas. Hacer que estos dispositivos sean más ligeros y eficientes abre la puerta a que más personas reciban ayuda. Notablemente, ya existen varios proyectos interesantes en el sector salud que combinan robots y medicina para mejorar vidas.

La IA podría ser la clave

El uso de resortes electrostáticos para aliviar la carga de trabajo del motor es un gran paso hacia la creación de robots verdaderamente sostenibles. El otro lado de esa ecuación es determinar los umbrales y capacidades de los materiales usados en estos dispositivos. La IA ha demostrado ser una herramienta invaluable en este camino.

Ha ayudado a desarrollar y configurar nuevos diseños, probar escenarios virtualmente y programar algoritmos de aprendizaje profundo. Juntas, estas innovaciones han contribuido a que la robótica con IA sea la próxima frontera.

El mercado de la robótica en movimiento

Basta con una mirada para ver que el sector de la robótica es uno de los mercados más candentes en tecnología. Desde grandes empresas que buscan implementar estos dispositivos para reducir costos operativos hasta startups que empujan los límites de la tecnología, hay muchos proyectos que vale la pena observar. Aquí tienes algunas empresas de robótica a seguir.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) se lanzó en 1988 y tiene operaciones en Suiza. La división robótica de la empresa ha sido pionera en el mercado durante décadas. Los robots de ABB se pueden encontrar en todo el mundo. El fabricante ha producido y enviado más de 500 000 unidades hasta la fecha.

ABB es uno de los fabricantes con mejor desempeño a nivel global. La compañía emplea a más de 11 000 expertos y tiene operaciones en más de 53 países. Hoy en día, sigue siendo una fuerza pionera que ofrece una amplia gama de soluciones robóticas a socios industriales.

2. KUKA

KUKA es un fabricante alemán de robótica que fue adquirido por el grupo chino Midea en 2016. La empresa ofrece soluciones robóticas inteligentes que incluyen opciones de automatización total y control centralizado. KUKA sigue siendo una fuerza impulsora de la innovación y ofrece soluciones que van desde robots simples hasta sistemas completos.

KUKA emplea a más de 14 000 expertos en robótica y genera más de 3,2 mil millones de dólares en ventas anuales. Su compromiso con la calidad y la innovación ha ayudado al fabricante a convertirse en uno de los nombres más reconocidos en el mercado de la robótica. Se espera que este grupo continúe creciendo a medida que expanda sus operaciones para satisfacer la demanda del consumidor.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics es un actor importante en los sectores de defensa y exploración espacial. De manera impresionante, el grupo ha colaborado con la NASA en numerosas ocasiones en el pasado. Además, actualmente está trabajando con investigadores para crear sistemas de minería robótica que puedan operar en entornos de baja gravedad y más.

Los sistemas de excavación inteligente de HoneyBee ya se utilizan internacionalmente. Estos productos facilitan la realización de perforaciones y pruebas de muestra en tiempo real en áreas extensas. La empresa también fabrica robots de defensa diseñados para ayudar a los soldados en el campo.

Startups que empujan los límites

Muchos de los avances en el sector robótico provienen del número creciente de startups que ingresan al mercado. Estas empresas quieren llevar la experiencia robótica a nuevas alturas mediante sus estrategias creativas y modelos de negocio.

OutRider

Cortar el césped en un día caluroso de verano puede parecer una tortura, especialmente si tienes un jardín que requiere mantenimiento constante para verse aceptable. OutRider resuelve este problema con la introducción de robots de jardinería inteligentes.

Estos dispositivos crean una estructura del sitio en tiempo real, lo que les permite realizar maniobras complejas. Incluso pueden trabajar en equipo para completar trabajos grandes más rápido. Aquellos que gastan miles en mantener sus enormes propiedades o negocios encontrarán que estas soluciones robóticas de jardinería de alta eficiencia tienen sentido.

Los robots entran en acción

Resulta interesante observar que el concepto de usar resortes ha resurgido como una de las mejores formas de impulsar la robótica hacia adelante. Estos sistemas encapsulan el espíritu de la ingeniería y podrían facilitar la vida a millones. Por estas razones, hay que felicitar a estos investigadores y a todos los que los acompañan en el camino para convertir los robots de bajo consumo en una realidad.