La impresión 3D puede hacer que la robótica sea más segura a través de la biomimética

Un estudio publicado en Advanced Intelligent Systems este mes introduce una nueva forma de actuador robótico que utiliza la biomimética para crear un movimiento similar a cómo funcionan tus músculos. Estos actuadores suaves permiten a los ingenieros crear dispositivos flexibles que pueden realizar tareas únicas como doblar o cambiar de forma. Aquí hay lo que necesitas saber.

Robótica suave

La robótica suave o ‘no complaciente’ es un campo en crecimiento que tiene un potencial ilimitado. Estos dispositivos pueden cambiar y doblar para caber en espacios estrechos, alrededor de esquinas y en otros escenarios donde un dispositivo rígido fallaría. Como tal, el mercado de la robótica suave está en aumento, con analistas que predicen un CAGR del 55,4% hasta 2029.

Problemas con los actuadores tradicionales

Un factor que continúa limitando el crecimiento del sector de la robótica suave es la selección actual de actuadores. Cada actuador permite otro vector de movimiento para la unidad. Sin embargo, estos dispositivos crean puntos duros en las estructuras robóticas no complacientes. Estos puntos duros evitan la verdadera libertad de movimiento.

Además, se requiere otro actuador para cada rango de movimiento. Como tal, pueden agregar peso y costo a estos dispositivos. Los robots más pesados utilizan más energía, lo que los hace menos útiles, eficientes y productivos.

Usando la biomimética para crear un actuador mejor

El estudio se adentra en una nueva forma de actuador suave que se asemeja más a los músculos humanos en que se estira y contrae al mismo tiempo. Esta combinación crea más fuerza y permite que tu cuerpo transfiera esa fuerza de manera más eficiente. Hasta ahora, los ingenieros robóticos se centraron principalmente en actuadores que podían expandirse y contraerse, con poca preocupación por su rigidez durante el proceso.

Source – Advanced Intelligent Systems

Investigadores

Investigadores de Northwestern y la Escuela de Ingeniería McCormick se unieron para explorar las posibilidades de un nuevo tipo de actuador biomimético. El estudio fue dirigido por Taekyoung Kim. Contó con la ayuda de Pranav Karthik, Ryan Truby y el profesor junior de Ciencia de Materiales e Ingeniería Mecánica en la Escuela de Ingeniería McCormick, Donald Brewer. Juntos, este equipo innovador creó un nuevo proceso de fabricación y prototipos funcionales, y realizó una investigación exhaustiva sobre su nuevo actuador biomimético.

Un nuevo estilo de actuador

El primer paso que dio el equipo fue imprimir en 3D el cuerpo de su unidad. Los investigadores necesitaban encontrar una estructura que pudiera doblar y torcer, pero que también pudiera soportar la presión cuando fuera necesario. Específicamente, el diseño tiene fuelles que se deforman automáticamente a través de la flexión torsional en torques crecientes. Esta maniobra crea una forma helicoidal que puede transferir la carga torsional de manera eficiente.

Mejor material para el trabajo

Se dieron cuenta desde el principio de que los materiales de actuadores de impresión 3D normales no serían lo suficientemente flexibles para completar la tarea. Después de mucha deliberación, se decidió utilizar poliuretano termoplástico para su dispositivo. Este material se encuentra en muchas cosas que usas todos los días. Es ese material gomoso que tu caso de teléfono y otros objetos usan para mantenerse protegidos. Notablemente, este material es estirable y puede soportar el torque torsional si es necesario.

Motor único

Uno de los cambios más grandes que los investigadores hicieron a los actuadores tradicionales fue eliminar la necesidad de múltiples motores. Su dispositivo podría formar una multitud de formas y dirigirse en múltiples direcciones simplemente girando el motor único que causa que el dispositivo se extienda y contraiga.

Movimientos únicos

El diseño de motor único proporciona a estos robots la máxima flexibilidad. Puede expandirse y torcer para satisfacer las necesidades de su entorno y objetivos. Además, el diseño de motor único reduce los costos y puede simplificar el diseño de dispositivos futuros.

Robot rastreador

El primer dispositivo que creó el equipo fue un robot rastreador de 26 centímetros de largo. Esta unidad puede extenderse y doblar dependiendo del torque que se le aplique al servo. El robot es capaz de moverse como una lombriz creando un movimiento de tracción que le permite navegar a través de entornos complejos a 32 centímetros por minuto.

El equipo puso a prueba su rastreador en un video público. La unidad se puede ver haciendo su camino a través de una tubería compleja que requiere que el robot complete giros cerrados para navegar hasta la libertad. El dispositivo pudo atravesar las curvas cerradas y sinuosas con éxito.

Los resultados de la prueba del rastreador fueron positivos. El robot es capaz de una elongación del 45%, lo que le permite volverse largo y delgado cuando sea necesario. Además, el equipo notó que la unidad tiene una fuerza de empuje bloqueada máxima de aproximadamente 8 N.

Bíceps artificial

El próximo prototipo que demostró el equipo fue un bíceps robótico. Este dispositivo integró una celda de carga de 6 ejes, una guía lineal y un servo único para generar torque y movimiento similares a los de un bíceps humano.

El dispositivo está hecho del mismo material de goma que el eje suave. Este diseño proporciona respuestas no lineales y viscoelásticas. Estas acciones resultan en una respuesta de fuerza-desplazamiento de histéresis, lo que permite que el dispositivo curve objetos como un brazo humano.

Los ingenieros probaron su bíceps robótico para ver sus capacidades. La unidad levantó con éxito un peso de 500 g 5.000 veces sin fallar. Estos resultados demuestran la repetibilidad y eficacia del nuevo enfoque para los movimientos de los robots.

Prueba

La etapa de prueba proporcionó valiosa información a los investigadores que buscarán mejorar sus diseños futuros utilizando estos datos. Los ingenieros estaban ansiosos por capturar información vital, incluyendo el torque del actuador, la presión de empuje y tracción, la resistencia a la tracción y otras pruebas de estrés vitales que pueden ayudar a determinar las capacidades máximas de la nueva configuración.

Beneficios

El estudio de los investigadores podría tener algunos efectos resonantes en el mercado. El campo de la robótica suave continúa expandiéndose y, a medida que más de estos dispositivos entran en producción, sus beneficios se vuelven más aparentes. Aquí hay solo algunos de los modos en que esta investigación podría ayudar a impulsar el mercado de la robótica suave hacia adelante.

Hacer que los robots sean más seguros

Una de las principales razones por las que hay un impulso para crear robots suaves es que son mucho más seguros para trabajar alrededor de ellos. A medida que más fabricantes buscan integrar la robótica en su fuerza laboral, será más común que los humanos y los robots trabajen lado a lado. Los robots suaves hacen una mejor compañía de trabajo en la mayoría de los escenarios por muchas razones.

Por un lado, son menos propensos a causar daño si los golpeas. Chocar con una tubería de metal es doloroso de por sí. El dolor puede ser exagerado si el dispositivo de metal se mueve y te golpea. Los robots suaves ayudarían a eliminar lesiones menores debido a golpes y colisiones leves.

Los robots suaves pueden trabajar en entornos donde los robots tradicionales serían considerados demasiado peligrosos para usar. Por ejemplo, podrían ayudar a criar ganado en el futuro. Por ahora, estos dispositivos son mejores para entornos centrados en humanos en comparación con los robots duros tradicionales.

Bajo costo

Uno de los beneficios más grandes del estudio es el ahorro. Crear robots y servidores robóticos es una tarea costosa que ha estado limitada principalmente a grandes fabricantes de alto nivel durante décadas. Los avances recientes han ayudado a nivelar el campo de juego para operaciones más pequeñas.

Este último desarrollo reduce aún más los costos. Según la documentación del investigador, los prototipos de robots que utilizaron solo costaron $3 en materiales, excluyendo el servo. Esta alternativa económica abre la puerta para una mayor integración, ya que hay muchas tareas que los robots podrían estar haciendo, pero las restricciones de costo han limitado su uso hasta ahora. Pronto, la robótica suave de bajo costo podría estar ayudando en tu vida diaria.

Usar impresoras 3D regulares.

Otro avance fue la introducción de un actuador biomimético compatible con la impresora 3D. La capacidad de fabricar estos dispositivos utilizando una impresora 3D de venta libre significa que cualquiera puede integrar los resultados del estudio de los investigadores y crear nuevos y innovadores diseños de robótica suave.

Integrado

Los investigadores están orgullosos de que su nuevo actuador pueda integrarse de manera fluida en los diseños robóticos actuales. Este paso ayudará a impulsar la adopción y a agilizar la innovación. También ayuda a los desarrolladores a obtener retroalimentación instantánea sobre su investigación, ya que más ingenieros aprovechan su estrategia.

Líderes del mercado actual

El mercado de la robótica suave tiene una competencia seria entre los principales jugadores. Un estudio reciente encontró que solo 5 fabricantes principales controlan el 40% del mercado de la robótica suave. El mismo estudio encontró que Norteamérica está liderando la carrera en términos de adopción. Algunos de los principales fabricantes incluyen Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories y Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne es una empresa de tecnología cibernética que busca combinar la IA, la robótica y los sistemas de información para crear un nuevo nivel de eficiencia y capacidades. La empresa es pionera en el mercado de la cibernética y es reconocida como una de las principales empresas de investigación y fabricación de dispositivos robóticos suaves.

Cyberdyne ha visto un crecimiento impresionante. La empresa vio que sus ingresos aumentaron un 52% de ¥2.15 mil millones a ¥3.29 mil millones en un solo año. Gran parte de este crecimiento se puede atribuir a las exitosas incursiones en el sector de equipos médicos.

2. Soft Robotics

Soft Robotics es otro jugador importante en el sector. Esta empresa se especializa en tareas de fabricación automatizada y agrícolas. Sus dispositivos integran soluciones de inspección visual avanzadas y algoritmos de IA para garantizar que su dispositivo pueda recoger, clasificar y determinar artículos con precisión.

Soft Robotics introduce una mano de agarre suave que aprovecha la visión 3D y la IA para realizar tareas complejas que antes solo eran posibles con humanos. Estos dispositivos capacitan a los cultivadores con capacidades de recoger, clasificar y empaquetar de alta velocidad. Notablemente, Soft Robotics es un gran ejemplo de cómo los robots suaves pueden mejorar la productividad.

3. Ekso Bionics Holdings

(EKSO )

Ekso Bionics Holdings es un líder global en tecnología de exoesqueletos. La tecnología de la empresa sirve para múltiples roles que abarcan tanto la atención médica como la fabricación. Actualmente ofrecen una variedad de exoesqueletos utilizados específicamente para la rehabilitación, la terapia y ayudar a las personas con problemas de movilidad a recuperarse.

Ekso ofrece exoesqueletos para el torso superior y el cuerpo inferior. Estos dispositivos permiten que el usuario viaje más lejos, levante más y soporte más esfuerzo sin agotarse. La posición y los productos pioneros de la empresa han ayudado a asegurar ganancias de ingresos masivas desde 2022.

Empresas que podrían beneficiarse del actuador biomimético

Muchas empresas podrían utilizar el estudio de los investigadores y mejorar sus ofertas actuales. Estas empresas ya están activas en el mercado y ofrecen productos que pueden ver mejoras con esta tecnología en términos de mayor eficiencia, menores gastos generales o mejores ofertas.

ReWalk Robotics

ReWalk es un proveedor de sistemas de caminata biónicos. La empresa ha ayudado a miles de personas a recuperar su movilidad gracias a su enfoque innovador y centrado. ReWalk Robotics busca ayudar a parapléjicos a recuperar el control de sus vidas utilizando sus productos únicos.

El asistente de caminata biónico ReWAlk cuenta con correas de piernas impulsadas por servo, una batería de mochila y un mando a distancia de muñeca. Este dispositivo se puede configurar para moverse cuando se le indique o para detectar automáticamente el movimiento. En este modo, el sistema puede mejorar las acciones del usuario con un esfuerzo mínimo.

Rewalk Robotics tiene una calificación de consenso de “compra” debido a su posición en el mercado. La empresa continúa empujando los límites con sus diseños y productos únicos. La introducción de tecnologías adicionales, como la IA y los actuadores biomiméticos, podría reducir significativamente los costos de sus unidades en el futuro.

RightHand Robotics

Righthand Robotics es otro fabricante de robots suaves. La empresa está ubicada en Boston y ofrece una selección de productos diseñados para ofrecer soluciones de recogida eficientes al mercado. La empresa busca capacitar a los minoristas para que realicen el comercio en línea con la ayuda de sus opciones de clasificación robótica.

Notablemente, Righthand Robotics ha recibido múltiples galardones por sus esfuerzos. La empresa fue nombrada Empresa de robótica del año en los premios NEVY (New England Venture Capital Association) por su trabajo en el campo.

La biomimética hará que la vida sea más fácil para todos.

En el futuro, los robots ocuparán muchos más puestos. Los robots suaves ayudarán a progresar esta integración, ya que estos dispositivos están mejor equipados para trabajar junto a los humanos que las unidades tradicionales. Por ahora, la investigación realizada por estos ingenieros podría ayudar a hacer que los robots pasen de ser raros a ser opciones muy asequibles que cualquiera pueda comprar. Como tal, es sabio observar estos desarrollos a medida que se desarrollan.

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