Pierna robótica con músculos artificiales supera a los diseños convencionales

Los robots que caminan tienen brazos y piernas que funcionan con motores, no con músculos como en los humanos y los animales. Esto, en parte, explica por qué carecen de la movilidad y la adaptabilidad de los seres vivos.

Una nueva pierna robótica impulsada por músculos no solo es más eficiente energéticamente que una convencional, sino que también puede realizar saltos altos y movimientos rápidos, así como detectar y reaccionar ante obstáculos, todo ello sin necesidad de sensores complejos.

La nueva pierna ha sido desarrollada por investigadores de la ETH de Zúrich y el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) en una asociación de investigación llamada Centro Max Planck ETH de Sistemas de Aprendizaje, conocido como CLS.

Al igual que en los humanos y los animales, un músculo extensor y un músculo flexor garantizan que la pierna robótica pueda moverse en ambas direcciones.

Estos actuadores electrohidráulicos, que los investigadores llaman HASEL, están unidos al esqueleto mediante tendones.

Los actuadores son bolsas de plástico llenas de aceite, similares a las que se utilizan para fabricar cubitos de hielo.

Aproximadamente la mitad de cada bolsa está recubierta por ambos lados con un electrodo negro hecho de un material conductor.

Buchner explica:

“En cuanto aplicamos un voltaje a los electrodos, se atraen entre sí debido a la electricidad estática.

De manera similar, cuando froto un globo contra mi cabeza, mi cabello se pega al globo debido a la misma electricidad estática”.

A medida que se aumenta el voltaje, los electrodos se acercan y empujan el aceite de la bolsa hacia un lado, haciendo que la bolsa sea más corta en general.

Los pares de estos actuadores unidos a un esqueleto dan como resultado los mismos movimientos musculares emparejados que en los seres vivos.

Cuando un músculo se acorta, su homólogo se alarga. Los investigadores utilizaron un código informático que se comunica con amplificadores de alto voltaje para controlar qué actuadores se contraen y cuáles se extienden.

Los investigadores compararon la eficiencia energética de su pierna robótica con la de una pierna robótica convencional accionada por un motor eléctrico.

Entre otras cosas, analizaron cuánta energía se convierte innecesariamente en calor.

“En la imagen infrarroja, es fácil ver que la pierna motorizada consume mucha más energía si, por ejemplo, tiene que mantener una posición doblada”, dice Buchner.

La temperatura en la pierna electrohidráulica, en cambio, permanece igual. Esto se debe a que el músculo artificial es electrostático.

“Es como el ejemplo con el globo y el pelo, donde el pelo se queda pegado al globo durante bastante tiempo”, agrega Buchner.

“Normalmente, los robots impulsados ​​por motores eléctricos necesitan gestión térmica, lo que requiere disipadores de calor adicionales o ventiladores para difundir el calor en el aire.

Nuestro sistema no los necesita“, dice Fukushima.

La capacidad de la pierna robótica para saltar se basa en su capacidad de levantar su propio peso de forma explosiva.

Los investigadores también han demostrado que la pierna robótica tiene un alto grado de adaptabilidad, lo que es especialmente importante para la robótica blanda.

Solo si el sistema musculoesquelético tiene suficiente elasticidad puede adaptarse de forma flexible al terreno en cuestión.

“Lo mismo ocurre con los seres vivos. Si no podemos doblar las rodillas, por ejemplo, caminar sobre una superficie irregular se vuelve mucho más difícil”, explica Katzschmann.

“Pensemos simplemente en dar un paso desde la acera a la carretera”.

A diferencia de los motores eléctricos, que requieren sensores que indiquen constantemente el ángulo de la pierna robótica, el músculo artificial se adapta a una posición adecuada mediante la interacción con el entorno.

Esto se activa únicamente con dos señales de entrada: una para doblar la articulación y otra para extenderla.

Fukushima explica:

“La adaptación al terreno es un aspecto clave. Cuando una persona aterriza después de saltar al aire, no tiene que pensar de antemano si debe doblar las rodillas en un ángulo de 90 grados o de 70 grados”.

El mismo principio se aplica al sistema musculoesquelético de la pierna robótica: al aterrizar, la articulación de la pierna se mueve de forma adaptativa en un ángulo adecuado según si la superficie es dura o blanda.

“El campo de la robótica está haciendo rápidos progresos con controles avanzados y aprendizaje automático; en cambio, ha habido mucho menos progreso con el hardware robótico, que es igualmente importante.

Esta publicación es un poderoso recordatorio de cuánto potencial para la innovación disruptiva proviene de la introducción de nuevos conceptos de hardware, como el uso de músculos artificiales”, dice Keplinger.

Katzschmann añade que es poco probable que los actuadores electrohidráulicos se utilicen en maquinaria pesada en las obras de construcción, pero sí ofrecen ventajas específicas respecto a los motores eléctricos estándar.

Esto es especialmente evidente en aplicaciones como las pinzas, en las que los movimientos tienen que ser muy personalizados en función de si el objeto que se está agarrando es, por ejemplo, una pelota, un huevo o un tomate.

Katzschmann tiene una salvedad:

“En comparación con los robots que caminan con motores eléctricos, nuestro sistema aún es limitado. La pierna está actualmente unida a una varilla, salta en círculos y todavía no puede moverse libremente”.

Los trabajos futuros deberían superar estas limitaciones, abriendo la puerta al desarrollo de robots que caminen realmente con músculos artificiales.

Y añade:

“Si combinamos la pierna robótica con un robot cuadrúpedo o un robot humanoide con dos piernas, quizá algún día, cuando funcione con baterías, podamos utilizarlo como robot de rescate”.

Fuente: Nature communications