Próxima generación de robots estará inspirada en un juguete

El pandeo, la pérdida repentina de la estabilidad estructural, suele ser materia de pesadillas en la ingeniería. El pandeo mecánico significa una falla catastrófica para todos los sistemas estructurales, desde cohetes hasta soufflés. Es lo que causó el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en 2010, entre muchos otros desastres.

Pero, como sabe cualquiera que haya jugado alguna vez con un popper de juguete, el pandeo también libera mucha energía. Cuando la estructura de un popper se dobla, la energía liberada por la inestabilidad envía al juguete a volar por el aire. Ahora, los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard han aprovechado esa energía y la han utilizado para su beneficio para construir un actuador suave inflable de movimiento rápido.

La investigación se publica en Science Robotics .

" Los robots blandos tienen un enorme potencial para un amplio espectro de aplicaciones, que van desde herramientas quirúrgicas y exoesqueletos mínimamente invasivos hasta pinzas de almacén y complementos de videojuegos", dijo Benjamin Gorissen, becario postdoctoral en SEAS y coautor del artículo. "Pero las aplicaciones para los actuadores suaves de hoy están limitadas por su velocidad".

Los actuadores suaves de fluidos tienden a ser lentos para encenderse y moverse porque necesitan mucho fluido para funcionar y el flujo, ya sea gas o líquido, está restringido por tubos y válvulas en el dispositivo.

"En este trabajo, mostramos que podemos aprovechar las inestabilidades elásticas para superar esta restricción, lo que nos permite desacoplar la entrada lenta y hacer un actuador de salto rápido que sea suave y fluido", dijo David Melancon, un estudiante graduado de SEAS y compañía. -primer autor del artículo.

"Este actuador es un bloque de construcción que podría integrarse en un sistema robótico totalmente blando para dar a los robots blandos que ya pueden gatear, caminar y nadar la capacidad de saltar", dijo Katia Bertoldi, profesora de mecánica aplicada de William y Ami Kuan Danoff en SEAS y autor principal del estudio. "Al incorporar nuestro puente en estos diseños, estos robots podrían navegar de forma segura a través de paisajes inexplorados".

Bertoldi también es miembro asociado de la facultad del Instituto Wyss.

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Los investigadores se basaron en el mismo tipo de pandeo que impulsa los poppers de juguete, conocidos como pandeo de concha. El equipo diseñó los actuadores con dos tapas esféricas, esencialmente dos poppers, enclavadas como muñecas rusas y conectadas en la base. Tras la inflación, la presión se acumula entre las dos tapas. La tapa externa más delgada se expande mientras que la tapa interna más gruesa se dobla y se derrumba, golpeando el suelo y catapultando el dispositivo al aire.

Si bien el dispositivo parece simple, comprender la física fundamental en juego fue primordial para controlar y optimizar el rendimiento del robot. La mayoría de las investigaciones previas sobre el pandeo de conchas estudiaron cómo evitarlo, pero Gorissen, Melancon y el resto del equipo querían aumentar la inestabilidad.

Uno de los pioneros de la investigación del pandeo se encuentra a solo dos pisos del equipo de Bertoldi en Pierce Hall. El profesor emérito John W. Hutchinson, quien se unió a la facultad de Harvard en 1964, desarrolló algunas de las primeras teorías para caracterizar y cuantificar las estructuras de caparazón de pandeo.

"Nuestra investigación arroja una perspectiva diferente sobre algunas de las teorías [de Hutchinson] y eso nos permite aplicarlas a un dominio de investigación diferente", dijo Gorissen.

"Fue agradable poder recibir comentarios de uno de los pioneros en el campo", dijo Melancon. "Desarrolló la teoría para prevenir el fracaso y ahora la estamos usando para activar el pandeo".

Utilizando teorías establecidas y herramientas de simulación numérica más recientes, los investigadores pudieron caracterizar y ajustar la relación de volumen de presión entre las dos capas para desarrollar un robot blando capaz de liberar rápidamente una cantidad específica de energía una y otra vez. El enfoque se puede aplicar a cualquier forma y tamaño. Podría usarse en todo, desde un pequeño dispositivo médico para perforar una vena o en grandes robots exploratorios para atravesar terrenos irregulares.