CapÃtulo 1 : Robótica blanda
La robótica tiene una subsección llamada robótica blanda, que se centra en el diseño, el control y la construcción de robots hechos de materiales flexibles, en lugar de conexiones rígidas. Esta área de la robótica es un subcampo de la robótica. Si bien en comparación con los robots de cuerpo rígido hechos de materiales como metales, cerámicas y plásticos duros, el cumplimiento de los robots blandos puede mejorar su seguridad cuando operan cerca de las personas. Esto contrasta con los robots de cuerpo rígido.
El objetivo del campo de la robótica blanda es desarrollar y construir robots que tengan cuerpos físicamente flexibles, así como componentes eléctricos. Hay ocasiones en las que la flexibilidad se restringe a una determinada sección de la máquina. Por ejemplo, los brazos robóticos con cuerpos rígidos pueden estar equipados con efectores finales blandos para que puedan agarrar y mover suavemente cosas que tienen una forma irregular o son frágiles. La gran mayoría de los robots móviles con cuerpos rígidos también hacen un uso estratégico de componentes blandos, como almohadillas para los pies que absorben los impactos o articulaciones elásticas que pueden almacenar y liberar energía elástica. Por otro lado, la disciplina de la robótica blanda tiende a centrarse en el desarrollo de máquinas que están hechas en su mayoría o en su totalidad de materiales blandos. Hay una gran cantidad de potencial sin explotar en los robots que están hechos completamente de materiales blandos. Uno de los beneficios de su flexibilidad es que les permite ingresar a espacios que son inaccesibles para cuerpos con una forma fija, lo que puede ser útil en situaciones que involucran asistencia en casos de desastre. Además, los robots blandos representan menos riesgo cuando interactúan con humanos y cuando se despliegan dentro del cuerpo humano.
Cuando se trata del diseño de robots blandos, a menudo se recurre a la naturaleza como fuente de inspiración. Esto se debe al hecho de que los propios animales están formados principalmente por componentes blandos, y parecen aprovechar su suavidad para moverse de manera eficiente a través de entornos complejos en casi todas partes de la Tierra.
Debido a que hay una diferencia en la concentración de solutos en el citoplasma y el resto del entorno de la célula, las células vegetales tienen la capacidad innata de generar presión hidrostática (potencial osmótico). Los iones pueden fluir de un lado a otro a través de la membrana celular, lo que permite a las plantas regular la concentración del compuesto. Como resultado, la planta se adaptará a este nivel diferente de presión hidrostática alterando tanto su forma como su volumen. Este desarrollo de formas derivadas de la presión es ideal para la robótica blanda y puede imitarse para generar materiales adaptables a la presión mediante el uso del flujo de fluidos. La robótica blanda es un campo emergente que combina elementos de robótica, biología e informática. Predice el ritmo al que cambia el volumen de la célula:
es la tasa de cambio de volumen.
es un área de la membrana celular.
es la conductividad hidráulica del material.
es el cambio en la presión hidrostática.
es el cambio en el potencial osmótico.
Utilizando este enfoque, se han desarrollado e implementado sistemas de control de presión para robots blandos. Estos sistemas están hechos de resinas blandas y cuentan con una serie de sacos de fluido que están separados por membranas que solo son parcialmente permeables. Debido a la semipermeabilidad, es posible la transmisión de fluido, lo que en última instancia resulta en la formación de presión. Esta interacción entre el movimiento del fluido y la creación de presión da como resultado en última instancia un cambio en la forma y el volumen.
Un control fuerte y preciso sobre una articulación puede lograrse en gran medida mediante el uso de hemolinfa comprimida, que es una técnica que también se toma prestada del movimiento de la araña y se puede utilizar para desarrollar enfoques similares a las articulaciones blandas hidráulicas.
Cuando se trata de la construcción de robots blandos, los procesos de fabricación tradicionales, como los procedimientos sustractivos como el taladrado y el fresado, son de poca utilidad ya que estos robots tienen geometrías complicadas con cuerpos maleables. Como resultado, se han ideado enfoques más sofisticados para el proceso de fabricación. La técnica de fabricación por deposición de formas (SDM), el método de microestructura compuesta inteligente (SCM) y la impresión 3D multimaterial son ejemplos de estas tecnologías. Mediante el uso de esta técnica, ha sido posible imprimir una amplia variedad de softrobots completamente funcionales, algunos de los cuales son capaces de doblarse, torcerse, agarrarse y contraerse movimientos. Este método soluciona algunos de los problemas inherentes a los enfoques más tradicionales de fabricación, como la delaminación que puede producirse entre las secciones unidas. Otra tecnología de fabricación aditiva que genera materiales que cambian de forma con una forma que puede ser activada por el calor, la luz o el agua. La forma también puede ser fotosensible. En esencia, estos polímeros son capaces de alterar espontáneamente la estructura cuando se exponen al agua, la luz o el calor. La impresión de tinta reactiva a la luz utilizando una impresora de inyección de tinta sobre un objetivo hecho de poliestireno permitió la creación de un ejemplo de un material que puede cambiar su forma.
Para crear fuerzas de respuesta, que son necesarias para el movimiento y el contacto con el entorno circundante, cualquier robot blando debe tener un sistema de actuación. Debido a la naturaleza flexible de estos robots, los sistemas de accionamiento blando deben poder moverse sin el uso de materiales rígidos, como los huesos que se encuentran en los organismos o la estructura metálica que a menudo se encuentra en los robots rígidos. A pesar de esto, existen y se han puesto en práctica varias soluciones de control para el problema de la actuación suave; Cada uno de estos sistemas tiene un conjunto único de ventajas e inconvenientes. La siguiente es una lista de varios ejemplos de técnicas de control, junto con los materiales relevantes para cada enfoque.
Un ejemplo de esto sería el uso de la fuerza electrostática, que podría usarse en:
Los actuadores de elastómero dieléctrico (DEA) son dispositivos que cambian de forma hechos de elastómeros que están controlados por un campo eléctrico de alto voltaje (ejemplo de DEA en funcionamiento).
Estos actuadores son capaces de producir fuerzas significativas.
tienen una alta potencia específica (W kg-1), crean enormes deformaciones (>1000 por ciento), Los materiales inteligentes y reconfigurables conocidos como polímeros con memoria de forma (SMP) son un ejemplo sobresaliente de actuadores térmicos que se pueden utilizar para la actuación. Estos materiales también entran en la categoría de materiales "inteligentes".
Cuando la temperatura se eleva por encima de un cierto punto, estos materiales "recordarán" su configuración anterior y volverán a ella.
Tomemos, por ejemplo:
Los polímeros reticulados pueden filtrarse a temperaturas superiores a su transición vítrea (Tg) o transición de fusión (Tm) y luego enfriarse.
En el caso de que la temperatura se eleve una vez más, la tensión se aliviará y la forma del material volverá a ser como era antes de ser alterado.
El poliuretano es un ejemplo de plástico de propósito especial (PU), ácido teraftálico hecho con polietileno (PET), óxido de polietileno (PEO), además de otras sustancias.
Otro método de control para el accionamiento robótico suave se basa en aleaciones con memoria de forma.
Alterar la presión dentro de un tubo flexible es la base de otro tipo de control utilizado en la construcción de robots blandos conocidos como músculos artificiales neumáticos. Debido a esto, se comportará de manera similar a un músculo, acortándose y alargando según sea necesario para ejercer fuerza sobre el componente al que está vinculado. Debido a que estos músculos están controlados por válvulas, el robot puede mantener su forma sin requerir ningún aporte adicional de energía sin dejar de poder moverse. Sin embargo, para que este enfoque funcione bien, normalmente se requiere un suministro externo de aire comprimido. El controlador de derivada integral proporcional, a veces conocido como PID, es el algoritmo que se usa con mayor frecuencia para los músculos neumáticos. El ajuste de la configuración del controlador PID permite controlar la respuesta dinámica de los músculos neumáticos en diversos grados.
Los robots dependen en gran medida de sus sensores como uno de sus componentes más cruciales. No debería sorprender que los sensores óptimos para robots blandos sean sensores blandos. Los sensores blandos a menudo pueden monitorear la deformación, lo que permite inferir información sobre la posición o la rigidez del robot.
Algunos ejemplos de sensores blandos son los siguientes:
Sensores de estiramiento suave
Sensores de flexión suave
Sensores de presión blanda
Sensores de fuerza blanda
Estos sensores utilizan mediciones de lo siguiente:
Piezoresistividad: polímero que consiste en partículas conductoras que se llenan, vías microfluídicas (metal líquido), piezoelectricidad, capacitancia, campos magnéticos y
Pérdida óptica, Pérdida de calidad acústica
Después de eso, los resultados de estas mediciones pueden ingresarse en un...
