Gusanos, resortes y robots suaves: pequeñas criaturas inspiran grandes saltos

Los investigadores de Georgia Tech recientemente presentaron un logro impresionante: un robot suave de 5 pulgadas de largo que puede catapultarse 10 pies en el aire – la altura de una canasta de baloncesto – sin piernas. El diseño se inspiró en el humilde nematodo, un gusano redondo más delgado que un cabello humano que puede saltar muchas veces su longitud corporal. 

Al pellizcar su cuerpo en kinks apretados, el gusano almacena energía elástica y luego la libera repentinamente, lanzándose hacia arriba o hacia atrás como un gimnasta acrobático. Los ingenieros imitaron este movimiento. Su robot “SoftJM” es esencialmente una varilla de silicona flexible con una columna vertebral de fibra de carbono rígida. Dependiendo de cómo se dobla, puede saltar hacia adelante o hacia atrás – incluso aunque no tenga ruedas ni piernas.

En acción, el robot inspirado en el nematodo se enrolla mucho como una persona agachada, luego se desenrolla explosivamente para saltar. Una cámara de alta velocidad muestra cómo el gusano curva su cabeza hacia arriba y se kinka en el medio de su cuerpo para saltar hacia atrás, luego se endereza y se kinka en la cola para saltar hacia adelante. 

El equipo de Georgia Tech descubrió que estos kinks apretados – normalmente un problema en mangueras o cables – en realidad permiten que el gusano y el robot almacenen mucha más energía. Como señaló un investigador, las cañas o mangueras kinkadas son inútiles, pero un gusano kinkado actúa como un resorte cargado. En el laboratorio, el robot suave reprodujo esta truco: “pellizca” su medio o cola, se tensa y luego se libera en una explosión (de aproximadamente una décima de milisegundo) para elevarse en el aire.

Robots suaves en ascenso

La robótica suave es un campo joven pero en rápido crecimiento que a menudo toma pistas de la naturaleza. A diferencia de las máquinas rígidas de metal, los robots suaves están hechos de materiales flexibles que pueden comprimirse, estirarse y adaptarse a su entorno. Los primeros hitos en el campo incluyen el Octobot de Harvard – un robot autónomo hecho enteramente de silicona y canales de fluido, sin partes rígidas, inspirado en los músculos de pulpo. Desde entonces, los ingenieros han construido una variedad de máquinas suaves: desde gusanos como gateadores y agarres gelatinosos hasta “exo-trajes” portátiles y robots en forma de vid que ruedan. 

Por ejemplo, los investigadores de Yale crearon un robot suave inspirado en una tortuga cuyas patas cambian entre aletas flojas y “piernas” firmes dependiendo de si está nadando o caminando. En la UCSB, los científicos hicieron un robot en forma de vid que crece hacia la luz utilizando solo “piel” sensible a la luz – literalmente se extiende a través de espacios estrechos como un tallo de planta. Estas y otras innovaciones bio-inspiradas muestran cómo los materiales suaves pueden crear nuevos modos de movimiento.

En general, los partidarios dicen que los robots suaves pueden ir a lugares que los robots tradicionales no pueden. La Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. señala que las máquinas suaves adaptables “exploran espacios previamente inaccesibles para los robots tradicionales” – incluso dentro del cuerpo humano. Algunos robots suaves tienen “pieles” programables que cambian de rigidez o color para mezclarse o agarrar objetos. Los ingenieros también están explorando técnicas de origami/kirigami, polímeros con memoria de forma y otros trucos para que estos robots puedan reconfigurarse en vuelo.

Ingeniería de movimiento flexible

Hacer que un robot suave se mueva como un animal viene con grandes desafíos. Sin articulaciones rígidas ni motores, los diseñadores deben confiar en las propiedades de los materiales y la geometría inteligente. Por ejemplo, el saltador de Georgia Tech tuvo que incluir una columna vertebral de fibra de carbono dentro de su cuerpo de goma para que la acción de resorte fuera lo suficientemente poderosa. Integrar sensores y sistemas de control también es difícil. Como señalan los ingenieros de Penn State, la electrónica tradicional es rígida y congelaría a un robot suave en su lugar.

Para hacer que su pequeño robot de rescate gateador “inteligente”, tuvieron que distribuir cuidadosamente circuitos flexibles en todo el cuerpo para que aún pudiera doblarse. Incluso encontrar fuentes de energía es más difícil: algunos robots suaves utilizan campos magnéticos externos o aire a presión porque llevar una batería pesada los pesaría.

Los robots suaves inspirados en nematodos de Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Otro obstáculo es explotar la física correcta. El equipo de nematodo-robot aprendió que los kinks en realidad ayudan. En un tubo de goma normal, un kink detiene rápidamente el flujo; pero en un gusano suave, construye lentamente la presión interna, permitiendo mucho más doblez antes de la liberación. Experimentando con simulaciones e incluso modelos de globos llenos de agua, los investigadores mostraron que su cuerpo flexible podría contener mucha energía elástica cuando se dobla, y luego liberarla en un solo salto rápido. El resultado es notable: desde el reposo, el robot puede saltar 10 pies de alto, repetidamente, simplemente flexionando su columna vertebral. Estos avances – encontrar formas de almacenar y liberar energía en materiales de goma – son típicos de la ingeniería de robótica suave.

Saltadores y ayudantes del mundo real

¿Para qué son buenos todos estos robots suaves? En principio, pueden abordar situaciones demasiado peligrosas o incómodas para las máquinas rígidas. En zonas de desastre, por ejemplo, los robots suaves pueden gatear bajo escombros o en edificios derrumbados para encontrar supervivientes. Penn State mostró un prototipo de robot gateador suave controlado magnéticamente que podría navegar a través de escombros ajustados o incluso moverse a través de canales del tamaño de vasos sanguíneos.

En medicina, los robots suaves microscópicos podrían entregar medicamentos directamente en el cuerpo. En un estudio de MIT, se imaginó un robot suave delgado como un hilo que flotaría a través de las arterias y limpiaría coágulos, potencialmente tratando los accidentes cerebrovasculares sin cirugía abierta. Los científicos de Harvard están trabajando en exoesqueletos suaves portátiles también – una manga inflable ligera que ayudó a los pacientes con ELA a levantar un hombro, mejorando inmediatamente su rango de movimiento.

Las agencias espaciales también están considerando saltadores suaves. Las ruedas pueden atascarse en la arena o las rocas, pero un robot saltador podría saltar sobre cráteres y dunas. La NASA incluso está imaginando saltadores novedosos para la Luna y las lunas heladas. En un concepto, un robot del tamaño de una pelota de fútbol llamado SPARROW utilizaría chorros de vapor (de hielo hervido) para saltar muchas millas a través de Europa o Encélado. En la gravedad baja de esas lunas, un pequeño salto puede llevar muy lejos – los científicos señalan que un salto de un metro de un robot en la Tierra podría llevarlo cien metros en Encélado. La idea es que docenas de estos saltadores podrían desplazarse por el terreno alienígena “con completa libertad para viajar” donde los rovers con ruedas se detendrían. De regreso en la Tierra, los futuros saltadores suaves podrían ayudar en misiones de búsqueda y rescate saltando sobre ríos, lodo o suelo inestable que detendría a los robots convencionales.

Los robots suaves también están encontrando trabajo en la industria y la agricultura. La NSF señala que podrían convertirse en ayudantes seguros en las plantas de fabricación o en las granjas, porque ceden si un humano está en el camino. Los investigadores incluso han construido agarres suaves que recogen frutas delicadas sin magullarlas. La flexibilidad de las máquinas suaves significa que pueden actuar en lugares demasiado pequeños o flexibles para los dispositivos rígidos.

Al final, los expertos creen que la robótica suave cambiará fundamentalmente muchos campos. Desde gusanos hasta trajes portátiles hasta saltadores lunares, esta investigación muestra cómo estudiar criaturas pequeñas puede generar grandes avances en la tecnología.