Cucs, molles i robots tous: criatures diminutes inspiren salts gegants

Investigadors de Georgia Tech recentment va revelar un assoliment impressionant: un robot tou de 5 cm de llarg que es pot catapultar 10 metres a l'aire (l'alçada d'una cistella de bàsquet) sense cames. El disseny es va inspirar en l'humil nematode, un petit cuc rodó més prim que un cabell humà que pot saltar moltes vegades la longitud del seu cos. 

En estrènyer el seu cos en plecs tancats, el cuc emmagatzema energia elàstica i després l'allibera de sobte, llançant-se cap al cel o cap enrere com un gimnasta acrobàtic. Els enginyers van imitar aquest moviment. El seu robot "SoftJM" és essencialment una vareta de silicona flexible amb una columna vertebral rígida de fibra de carboni. Depenent de com es doblega, pot saltar endavant o cap enrere, tot i que no té rodes ni potes.

En acció, el robot inspirat en nematodes s'enrotlla de manera molt semblant a una persona a la gatzoneta, i després es relaxa explosivament per saltar. Una càmera d'alta velocitat mostra com el cuc corba el cap cap amunt i es doblega al mig del cos per saltar cap enrere, i després s'estira i es doblega a la cua per saltar cap endavant. 

L'equip de Georgia Tech va descobrir que aquests revolts tancats, que normalment són un problema en mànegues o cables, permeten que el cuc i el robot emmagatzemin molta més energia. Com va assenyalar un investigador, les palletes o mànegues doblegades no serveixen per a res, però un cuc doblegat actua com una molla carregada. Al laboratori, el robot tou reproduït aquest truc: es "pessiga" el mig o la cua, es tensa i després es deixa anar en una ràfega (aproximadament una dècima de mil·lisegon) per enlairar-se.

Robots tous en auge

La robòtica suau és un camp jove però en ràpid creixement que sovint s'inspira en la natura. A diferència de les màquines de metall rígid, els robots tous estan fets de materials flexibles que poden comprimir, estirar i adaptar-se al seu entorn. Les primeres fites en el camp inclouen L'Octobot de Harvard – un robot autònom fet completament de silicona i canals fluids, sense parts rígides, inspirat en els músculs del pop. Des de llavors, els enginyers han construït una mena de màquines toves: des de robots rastrejadors semblants a cucs i pinces gelatinitzades fins a "exovestits" portables i robots rodants semblants a vinyes. 

Per exemple, investigadors de Yale van crear un robot tou inspirat en la tortuga, les potes del qual canvien entre aletes flexibles i "potes terrestres" fermes depenent de si neda o camina. A la UCSB, els científics van crear un robot semblant a una vinya que creix cap a la llum utilitzant només "pell" sensible a la llum; literalment s'estén a través d'espais estrets com la tija d'una planta. Aquestes i altres innovacions bioinspirades mostren com els materials tous poden crear nous modes de moviment.

En general, els partidaris diuen que els robots tous poden arribar a llocs on els robots tradicionals no poden arribar. Notes de la Fundació Nacional de Ciències dels EUA que les màquines toves adaptatives "exploren espais abans inabastables pels robots tradicionals", fins i tot dins del cos humà. Alguns robots tous tenen "pells" programables que canvien la rigidesa o el color per integrar-se o agafar objectes. Els enginyers també estan explorant tècniques d'origami/kirigami, polímers amb memòria de forma i altres trucs perquè aquests robots es puguin reconfigurar sobre la marxa.

Enginyeria de moviment flexible

Fer que un robot tou es mogui com un animal comporta grans reptes. Sense articulacions ni motors durs, els dissenyadors han de confiar en les propietats dels materials i una geometria intel·ligent. Per exemple, el robot jumper de Georgia Tech havia d'incloure una columna vertebral de fibra de carboni dins del seu cos gomós per fer que l'acció de la molla fos prou potent. Integrar sensors i sistemes de control també és complicat. Com Els enginyers de Penn State assenyalen, l'electrònica tradicional és rígida i congelaria un robot tou al seu lloc.

Per fer que el seu petit robot de rescat que s'arrossega fos "intel·ligent", van haver de repartir circuits flexibles amb cura pel cos perquè encara es pogués doblegar. Fins i tot trobar fonts d'energia és més difícil: alguns robots tous utilitzen camps magnètics externs o aire a pressió perquè portar una bateria pesada els sobrecarregaria.

Els robots tous inspirats en nematodes de Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Un altre obstacle és explotar la física adequada. L'equip de nematodes i robots va aprendre que els doblecs realment ajuden. En un tub de goma normal, un doblec atura ràpidament el flux; però en un cuc tou, augmenta lentament la pressió interna, permetent molta més flexió abans de l'alliberament. Experimentant amb simulacions i fins i tot amb models de globus plens d'aigua, els investigadors van demostrar que el seu cos flexible podia contenir molta energia elàstica quan es doblegava i després alliberar-la en un salt ràpid. El resultat és remarcable: des del repòs, el robot pot saltar 10 metres d'alçada, repetidament, simplement flexionant la columna vertebral. Aquests avenços: trobar maneres de... Tornar al seu compte i alliberar l'energia en materials gomosos – són típiques de l'enginyeria de robòtica tova.

Saltadors i ajudants del món real

Per a què serveixen tots aquests robots tous? En principi, poden afrontar situacions massa perilloses o incòmodes per a màquines rígides. En zones de desastre, per exemple, els robots tous poden esmunyir-se sota les runes o dins d'edificis esfondrats per trobar supervivents. Penn State va mostrar un prototip de robot tou rastrejador controlat magnèticament que podia navegar per runes compactes o fins i tot moure's a través de canals de la mida d'un vaso sanguini.

En medicina, els robots tous microscòpics podrien administrar fàrmacs directament al cos. En un estudi del MIT, es va concebre un robot tou i prim com un fil que surés per les artèries i elimines els coàguls, cosa que podria tractar els accidents cerebrovasculars sense cirurgia oberta. Científics de Harvard també estan treballant en exoesquelets tous que es poden portar: una màniga inflable lleugera que ajudava els pacients amb ELA a aixecar una espatlla, millorant immediatament el seu rang de moviment.

Les agències espacials també estan considerant robots saltadors suaus. Les rodes es poden enganxar a la sorra o a les roques, però un robot saltador podria saltar per sobre de cràters i dunes. La NASA fins i tot està imaginant nous robots saltadors per a la Lluna i les llunes gelades. En un concepte, un robot de la mida d'una pilota de futbol anomenat PARDAR utilitzarien dolls de vapor (de gel bullit) per saltar molts quilòmetres a través d'Europa o Encèlad. En la baixa gravetat d'aquestes llunes, un petit salt arriba molt lluny: els científics assenyalen que el salt d'un metre d'un robot a la Terra podria portar-lo cent metres a Encèlad. La idea és que desenes d'aquestes saltadores podrien desplaçar-se per terreny alienígena "amb total llibertat per viatjar" on els rovers amb rodes s'aturarien. De tornada a la Terra, els futurs saltadors tous podrien ajudar en missions de cerca i rescat saltant sobre rius, fang o terreny inestable que aturarien els robots convencionals.

Els robots tous també estan trobant feina a la indústria i l'agricultura. La NSF assenyala que podrien convertir-se en ajudants segurs a les fàbriques o a les granges, perquè obeeixen les ordres si un humà s'interposa. Els investigadors fins i tot han construït pinces toves que recullen suaument fruites delicades sense fer-les malbé. La flexibilitat de les màquines toves significa que poden actuar en llocs massa petits o flexibles per a dispositius rígids.

Al final, els experts creuen que la robòtica suau canviarà fonamentalment molts camps. Des dels cucs fins als vestits portàtils i les tremuges lunars, aquest fil de recerca mostra com l'estudi de criatures diminutes pot generar grans avenços tecnològics.