Crean pequeño robot “escarabajo rinoceronte”

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Ingenieros han diseñado un robot diminuto, liviano e inalámbrico que puede actuar de manera independiente y con una precisión altísima en todas las direcciones en algunas de las condiciones más extremas.

El robot, al que los diseñadores llaman “Holonomic Beetle 3” (o HB-3), ya que se inspiraron en los movimientos y la anatomía del escarabajo rinoceronte, combina el uso de actuadores piezoeléctricos con tecnología autónoma para permitir tareas de manipulación a microescala que antes estaban fuera del alcance de los robots.

El HB-3 aborda una necesidad creciente en varias industrias, incluida la automatización de laboratorios, los procedimientos médicos y la investigación científica, de manipulación precisa a múltiples escalas, desde la manipulación de nanomateriales y células hasta el ensamblaje de componentes de chips, donde la presencia humana es limitada o imposible.

Esto es particularmente necesario en cámaras de seguridad de vacío, limpias, de tiro y de riesgo biológico.

En los últimos años, los robots autónomos (sin cables) se han utilizado en la práctica en una amplia gama de sectores industriales, lugares de desastre, campos médicos y entornos extremos o espacios confinados donde el acceso humano no es factible.

Mientras tanto, la miniaturización de los componentes electrónicos internos de todo tipo de dispositivos también ha avanzado rápidamente, incluido el desarrollo de microbaterías y microsupercondensadores que tienen solo unos pocos micrones de espesor.

Sin embargo, los dispositivos de posicionamiento convencionales han seguido siendo obstinadamente voluminosos y pesados en comparación con esas piezas diminutas, por lo que había mucho margen de mejora con respecto a la eficiencia energética y espacial.

Incluso si los circuitos de accionamiento y las baterías se habían vuelto diminutos, su alcance y libertad operativa seguían siendo muy limitados.

Para abordar estos problemas, se han desarrollado varios actuadores de precisión (básicamente, los “músculos” de un robot que convierten la energía (eléctrica, hidráulica o neumática) en movimiento) para mejorar estos dispositivos de posicionamiento.

Los actuadores piezoeléctricos en particular han demostrado ser muy prometedores.

Los materiales piezoeléctricos, como el cuarzo de los relojes de cuarzo o las cerámicas sintéticas como el PZT (titanato de zirconato de plomo), generan una carga eléctrica cuando se someten a una tensión mecánica (esencialmente, un empujón o una compresión).

También realizan el proceso inverso: se deforman cuando se les aplica un campo eléctrico.

Esta propiedad piezoeléctrica permite movimientos ultrafinos al expandirse o contraerse en respuesta a señales eléctricas definidas con mucha precisión, a menudo a escala nanométrica.

Sin embargo, aunque se han desarrollado muchos robots y pinzas en miniatura, hasta ahora no ha habido micromanipuladores móviles que integren tecnologías de accionamiento piezoeléctrico y que al mismo tiempo sean autónomos y sin ataduras, y estén adaptados a aplicaciones del mundo real.

En el corazón del diseño de HB-3 se encuentra su estructura compacta y liviana: solo pesa 515 gramos y mide solo 10 centímetros cúbicos.

Un circuito de control integrado que utiliza una computadora de placa única elimina los problemas que habían causado los cables de alimentación en la investigación anterior del equipo.

El HB-3 también está equipado con una cámara interna y realiza tareas utilizando algoritmos de aprendizaje automático que le permiten ajustar sus movimientos en tiempo real, una característica que no se encuentra en los micromanipuladores anteriores.

En pruebas rigurosas, el HB-3 demostró un rendimiento impresionante en una variedad de tareas en entornos confinados y aislados utilizando diferentes herramientas, como pinzas precisas para tomar y colocar una pieza de chip o un inyector para aplicar una gota minúscula, mientras disfrutaba de una precisión de posicionamiento promedio de solo 0,08 mm a lo largo del eje x y 0,16 mm a lo largo del eje y, con un 87% de tareas consideradas exitosas.

Las herramientas se pueden convertir en sondas de medición, soldadores, destornilladores y otros instrumentos de precisión de manera flexible según demanda y en muchas escalas diferentes, desde el metro hasta el nanómetro.

“Hemos sido capaces de ampliar los límites de la miniaturización para crear un dispositivo verdaderamente autónomo y sin ataduras que puede funcionar en espacios reducidos y peligrosos“, dijo Ohmi Fuchiwaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de YOKOHAMA y uno de los ingenieros que están detrás de la pequeña máquina.

“El HB-3 no sólo puede manejar tareas complejas, sino que también lo hace con una precisión inigualable”.

Sin embargo, el equipo todavía quiere perfeccionar su pequeño escarabajo.

Creen que la velocidad de procesamiento del HB-3, que depende de una CPU Raspberry Pi, podría mejorarse, y el tiempo que tarda el robot en detectar objetos podría reducirse, tal vez delegando la detección de objetos a un computador externo de alto rendimiento.

En el futuro, los investigadores también pretenden mejorar su velocidad y precisión, y explorar la integración de cámaras internas de vista lateral y superior para mejorar la precisión de posicionamiento del eje z.

Fuente: Advanced Intelligent Systems