Un grupo de investigadores financiado con fondos europeos ha desarrollado un robot blando que se mueve como la trompa de un elefante. Lo suficientemente preciso como para recoger fruta fresca, pero lo suficientemente potente como para levantar a un paciente.
A Lucia Beckai, experta en robótica blanda del Instituto Italiano de Tecnología en Génova, se le ocurrió la idea mientras veía un documental sobre elefantes. Se maravilló de la versatilidad del tronco, capaz de quitar con delicadeza una sola hoja de un árbol y luego mover un tronco enorme.
Esa versatilidad faltaba en los robots actuales. Pero ¿qué pasaría si los investigadores pudieran emular la anatomía y función de la trompa de un elefante? Esto podría revolucionar la forma en que los robots manejan objetos, desde ayudar en la casa hasta buscar supervivientes entre los escombros.
«Las trompas de elefante son realmente fascinantes porque son muy diestras y delicadas», dice Beckai. «Es un órgano sensorial grande y sin huesos, pero extremadamente versátil. Hoy en día, su rendimiento no tiene paralelo en la robótica».
Esta observación se convirtió en la semilla de PROBOSCIS, una iniciativa de investigación de cinco años financiada por la UE que reúne a biólogos, ingenieros y científicos de materiales para descifrar cómo funcionan las trompas de elefante.
El objetivo era ir más allá de las pinzas especializadas actuales y crear una mano robótica más versátil. Se trata de una mano robótica que puede agarrar uvas con suavidad, levantar firmemente objetos pesados y adaptarse a una amplia gama de formas y texturas sin grandes cambios de hardware.
Tallo: una estructura continua
Actualmente, la mayoría de robots cuentan con un brazo rígido con articulaciones motorizadas y una pinza en su extremo, lo que los convierte en elementos separados con claras limitaciones. Estos robots, a diferencia de las trompas de elefante, no pueden realizar lo que Beckai llama «manipulación de todo el cuerpo», o rodear con todo su brazo un objeto de manera continua y fluida.
El torso es lo que los biólogos llaman un hidrostato muscular, similar a los tentáculos de un pulpo o a la lengua humana. Tiene más de 100.000 músculos individuales y, aunque no tiene esqueleto, puede estirarse, contraerse, doblarse y girar en todas direcciones simultáneamente, sin distinción entre brazos y pinzas. Esta es una estructura continua.
El maletero también es muy duradero y puede transportar alrededor de 300 kg de equipaje. Los elefantes africanos también tienen dos pequeñas proyecciones en forma de dedos en las puntas para tareas más delicadas.
Movimientos simples, resultados complejos.
Para comprender mejor cómo funciona el núcleo, el profesor Michel Milinkovic, biólogo evolutivo de la Universidad de Ginebra, dirigió un equipo que recurrió a técnicas cinematográficas.
Bandas de puntos marcadores reflectantes, similares a los utilizados en películas taquilleras, rastrearon movimientos precisos de la trompa mientras los elefantes manipulaban objetos de diferentes formas, tamaños y texturas en una reserva de Sudáfrica. Las imágenes fueron capturadas con cámaras de alta velocidad y capturan un sistema increíblemente eficiente.
«Lo que notamos es que armaron pequeñas secuencias de acciones», dice Milinković. «Acorte algunas secciones, estire algunas secciones, doble algunas secciones y combínelas para realizar una tarea».
Milinković encontró un movimiento particularmente sobresaliente. Cuando los elefantes extendieron la mano detrás de sus cabezas para recibir un premio de sus cuidadores, no se limitaron a doblar sus trompas hacia atrás.
En cambio, la parte superior sobresalía y se endurecía temporalmente, creando dos «pseudoarticulaciones» que funcionaban como hombros y codos, mientras que la parte inferior se balanceaba hacia atrás para agarrar golosinas.
«Esto fue absolutamente sorprendente porque nadie lo había visto antes. Lo hacen muy rápido», dijo Milinkovic. Demostró que el tronco puede formar diferentes partes separadas por articulaciones.
El equipo de investigación también realizó estudios anatómicos de un elefante africano macho y un elefante asiático macho, extraídos de cadáveres de animales en el zoológico.
músculos 3d
Para aplicar los hallazgos de Milinković a la robótica, el equipo de Beckai se centró en la punta del tronco. Utilizaron la impresión 3D para integrar sensores y músculos artificiales, o actuadores, en un cuerpo sin costuras. Estas estructuras neumáticas parecidas a globos se expanden y contraen al inflarse y desinflarse con aire. Al cambiar su tamaño y forma, los investigadores pueden programar movimientos específicos en el sistema.
Para crear un robot blando con forma de tronco, los investigadores combinaron actuadores neumáticos con una estructura reticular similar a una malla que puede deformarse en múltiples direcciones.
El dispositivo se imprime en un proceso continuo a partir de la misma resina blanda, incluidos sensores ópticos que proporcionan información sobre el tacto y la flexión de la punta del torso.
Un único material es clave, afirmó Beckai. «Esto es muy importante porque elimina las interfaces materiales y mecánicas entre los distintos componentes, lo que permite la continuidad del movimiento en combinación con la retroalimentación sensorial».
El prototipo se puede estirar, comprimir y doblar, y también puede realizar movimientos como pellizcar, recoger y alcanzar. Este diseño representa un paso hacia una pinza verdaderamente versátil que puede manejar todo, desde objetos blandos y delicados hasta objetos pesados y de formas irregulares con un único sistema adaptable.
Aunque el proyecto de investigación finalizará en abril de 2025 y el brazo robótico blando sigue siendo un demostrador de laboratorio por ahora, el equipo de investigación dice que ya han superado la mayoría de los problemas de diseño que frenan los brazos robóticos actuales.
control suave
Una de las ideas clave obtenidas de los elefantes fue sobre el control. Aunque el torso contiene miles de músculos, los elefantes no los controlan todos.
En cambio, sus cerebros controlan lo que el equipo de Milinković descubrió que es la sinergia de una pequeña cantidad de músculos, o cómo los músculos trabajan juntos en conjunto para realizar un movimiento, explicó Beckai. La estructura física del maletero se encarga del resto.
Esto mostró a los investigadores cómo hacer viables robots blandos funcionales fuera del laboratorio y cómo diseñar sistemas futuros en torno a sinergias en lugar de actuadores individuales.
Beccai espera que esto reduzca la complejidad y las demandas de energía, haciendo que el dispositivo funcione con batería y facilitando su implementación. Ella imagina una amplia gama de aplicaciones prácticas, desde recoger frutos rojos, un gran desafío para la robótica actual, hasta tareas domésticas como clasificar la ropa y manipular vajillas frágiles.
Estos robots tienen potencial en aplicaciones medioambientales, desde la manipulación de desechos y la clasificación de desechos hasta operar en ecosistemas frágiles sin dañar las plantas, el suelo o la vida marina circundantes. En búsqueda y rescate, sus suaves brazos podrían ayudarlos a cavar entre los escombros y usar su sentido del tacto para encontrar personas.
Pero Beckai está más interesado en la robótica de asistencia. «Mi sueño es construir un sistema médico que pueda levantar y ayudar a personas discapacitadas y mayores, por ejemplo, y al mismo tiempo darles un tenedor o fruta fresca», afirma Beckai.
Un solo robot lo suficientemente potente como para ayudar con las transferencias pero lo suficientemente suave como para manejar artículos cotidianos podría ayudar a las personas a vivir de manera más independiente. A diferencia de las máquinas tradicionales, no tiene por qué resultar intimidante debido a su suavidad.
Para Becky, mejorar su agarre no era el único objetivo. Era un robot que era fuerte cuando era necesario, gentil cuando era necesario y que resultaba natural estar cerca.
Este artículo fue publicado originalmente en Horizon, Revista de Investigación e Innovación de la UE.
La investigación para este artículo fue financiada por el programa Horizon de la UE.
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