Robótica
Técnica de impresión 3D innovadora construye robots en un solo paso
Un equipo de ingenieros de la UCLA ha desarrollado una nueva técnica de impresión 3D y una estrategia de diseño que permite construir robots en un solo paso.
El nuevo estudio, que demuestra cómo los robots pueden ser construidos y caminar, maniobrar y saltar, se publicó en Science.
Proceso de impresión 3D innovador
La nueva técnica implica un proceso de impresión 3D para materiales activos ingenierizados con múltiples funciones, o ‘metamateriales’. Permite la fabricación de los sistemas mecánicos y electrónicos completos necesarios para operar un robot de una vez. Después de que el ‘meta-bot’ haya sido impreso en 3D, puede realizar movimientos, propulsión, detección y toma de decisiones.
Los materiales impresos están compuestos por una red interna de elementos sensoriales, de movimiento y estructurales que se mueven por sí mismos después de ser programados. Debido a que esta red interna se reúne en un solo lugar, todo lo que queda por hacer es producir un solo componente externo: la pequeña batería que alimenta al robot.
Xiaoyu (Rayne) Zheng es el investigador principal del estudio y profesor asociado de ingeniería civil y ambiental, así como de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA.
“Envisionamos que esta metodología de diseño y impresión de materiales robóticos inteligentes ayudará a realizar una clase de materiales autónomos que podrían reemplazar el proceso de ensamblaje complejo actual para hacer un robot”, dijo Zheng. “Con movimientos complejos, múltiples modos de detección y capacidades de toma de decisiones programables todas estrechamente integradas, es similar a un sistema biológico con los nervios, huesos y tendones trabajando en conjunto para ejecutar movimientos controlados”.
Aplicaciones potenciales
El equipo integró una batería y un controlador a bordo para hacer robots impresos en 3D completamente autónomos. Cada uno de los robots tiene el tamaño de una uña del dedo, y según Zheng, este nuevo método podría conducir a nuevos diseños para robots biomédicos. Un robot biomédico podría ser un bot que nada que navega de forma autónoma cerca de los vasos sanguíneos para entregar medicamentos en sitios objetivo en el cuerpo.
Otra aplicación de los bots impresos en 3D es enviarlos a entornos peligrosos, como un edificio derrumbado, donde una bandada de ellos puede acceder a espacios estrechos. Estos meta-bots podrían evaluar los niveles de amenaza y ayudar en los esfuerzos de rescate.
Este es un avance importante en el campo de la robótica, ya que la mayoría de los robots actuales requieren una serie de pasos de fabricación complejos para construirlos. Este proceso da como resultado robots más pesados, más grandes y más débiles.
Para desarrollar el nuevo método, el equipo se basó en una clase de materiales de retícula intrincados que cambian de forma y dirección en respuesta a un campo eléctrico. También pueden crear una carga eléctrica como resultado de fuerzas físicas.
Desarrollo de nuevos materiales robóticos
Los materiales robóticos desarrollados por el equipo tienen solo el tamaño de una moneda de un centavo y consisten en elementos estructurales que les ayudan a doblarse, girar, expandirse, contraerse o rotar a altas velocidades.
Además de todo esto, el equipo lanzó una metodología que puede ser utilizada para diseñar los materiales robóticos, lo que permite a los usuarios crear sus propios modelos.
Hauchen Cui es el autor principal del estudio y un académico postdoctoral de la UCLA en el Laboratorio de Manufactura Aditiva y Metamateriales de Zheng.
“Esto permite que los elementos de accionamiento se dispongan con precisión en todo el robot para movimientos rápidos, complejos y extendidos en varios tipos de terreno”, dijo Cui. “Con el efecto piezoeléctrico de dos vías, los materiales robóticos también pueden auto-detectar sus contorsiones, detectar obstáculos a través de ecos y emisiones de ultrasonido, así como responder a estímulos externos a través de un bucle de control de retroalimentación que determina cómo se mueven los robots, a qué velocidad se mueven y hacia qué objetivo se mueven”.
El equipo utilizó el método para construir tres meta-bots diferentes que demuestran diferentes capacidades:
- Meta-bot que navega alrededor de esquinas en forma de S y obstáculos colocados aleatoriamente
- Meta-bot que puede escapar en respuesta a un impacto de contacto
- Meta-bot que camina sobre terreno irregular y hace pequeños saltos
Esta nueva técnica de impresión 3D desempeñará un papel importante en el campo de la robótica, ayudando a hacer que la construcción de dichos robots sea mucho más eficiente.
Esta investigación de avance también incluyó a los autores Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu y Haotian Lu, que son estudiantes de posgrado; Ariel Calderon, un académico postdoctoral; Zhen Wang, asociado de ingeniería de desarrollo; Sheyda Davaria, asociado de investigación en Virginia Tech; Patrick Mercier, profesor asociado de ingeniería eléctrica y computacional en UC San Diego; y Pablo Tarazaga, profesor de ingeniería mecánica en Texas A&M University.
