Capítulo 1 : Robótica bioinspirada
Existe una subclase de diseño bioinspirado que se conoce como locomoción robótica bioinspirada. Se trata de obtener conocimientos de los fenómenos naturales y poner en práctica esos conocimientos en el diseño de sistemas de ingeniería que se utilizan en el mundo real. En un sentido más particular, esta disciplina se ocupa de la creación de robots que se modelan a partir de sistemas biológicos, incluidas las aplicaciones de biomímesis. La "biomímesis" se refiere al proceso de reproducción de fenómenos naturales, mientras que el "diseño bioinspirado" se refiere al proceso de aprender de la naturaleza y desarrollar un mecanismo que sea más simple y eficiente que el sistema que se observa en la naturaleza. Un subcampo distinto de la robótica conocido como robótica blanda ha surgido como resultado del uso de la biomímesis. Para fines particulares, los sistemas biológicos se han optimizado de acuerdo con el entorno en el que se encuentran. Sin embargo, están construidos para realizar múltiples funciones y no están destinados a ser utilizados para una sola función en particular. El estudio de los sistemas biológicos y la búsqueda de procesos que puedan abordar un problema en el ámbito de la ingeniería son los dos principales focos de atención de los investigadores en robótica bioinspirada. Después de eso, el diseñador debe hacer un esfuerzo para simplificar y mejorar ese mecanismo con el fin de adaptarse mejor a la tarea particular de interés. Los investigadores que están interesados en la robótica bioinspirada suelen tener interés en los biosensores (como el ojo), los bioactuadores (como el músculo) o los biomateriales (como la seda de araña). La gran mayoría de los robots están equipados con algún tipo de sistema de locomoción. El propósito de este artículo es presentar varios tipos de locomoción animal, así como algunos ejemplos de robots bioinspirados que se correlacionan con estos modos respectivamente.
En términos generales, la biolocomoción, a menudo conocida como movimiento animal, se puede clasificar de la siguiente manera:
Hay dos tipos de movimiento que pueden ocurrir en una superficie: la locomoción terrestre y la locomoción arbórea. En la siguiente sección, hablaremos específicamente sobre el movimiento terrestre y entraremos en mucho más detalle sobre él.
La natación y el vuelo son ejemplos de locomoción que pueden ocurrir en una línea de sangre o en un medio de cultivo celular. Los expertos en robótica han inventado y construido una gran cantidad de robots que son capaces de nadar y volar. Mientras que algunos de ellos hacen uso de motores en miniatura o actuadores MEMS estándar (incluidos piezoeléctricos, térmicos, magnéticos, etc.), otros hacen uso de células musculares animales como motores.
Ya sea que tengan patas o no, hay una gran cantidad de animales e insectos que se mueven en tierra. La escalada y el salto son dos de los temas que se tratarán en esta parte, junto con el movimiento con piernas y sin extremidades. Es esencial para el proceso de movilidad en tierra que los pies estén anclados. Para moverse sin resbalar en superficies como paredes rocosas lisas y hielo, es esencial tener la capacidad de aumentar la tracción. Esta habilidad es especialmente vital cuando se mueve cuesta arriba. Hay una variedad de sistemas biológicos que se encargan de proporcionar la compra. Las garras se basan en mecanismos que se basan en la fricción, las patas de los geckos dependen de las fuerzas de la pared de van der y ciertas patas de insectos dependen de las fuerzas adhesivas mediadas por fluidos.
De acuerdo con los requisitos de la tarea en cuestión, los robots con patas pueden tener una, dos, cuatro, seis o incluso más de una pata. El uso de patas en lugar de ruedas permite un movimiento más eficiente en terrenos irregulares, que es una de las ventajas más significativas de utilizar patas. Dentro del ámbito de la robótica bioinspirada, las variedades de movimiento con patas que se consideran las más populares incluyen la locomoción bípeda, cuadrúpeda y hexápeda. Tanto Cheetah como Rhex, un robot hexapedal confiable, son ahora los dos robots que son capaces de correr más rápido. Otro robot hexápedo que se ha construido en la Universidad de Stanford se llama iSprawl. Su diseño fue influenciado por la estrategia de movilidad de las cucarachas. La velocidad máxima que este robot es capaz de alcanzar es de 2,3 metros por segundo, y puede correr hasta 15 longitudes de cuerpo por segundo. En la nueva iteración de este robot, se utiliza un solo motor eléctrico para la locomoción, en contraste con la forma neumática del robot que se desarrolló por primera vez.
La mayoría de los animales y los robots biomiméticos se enfrentan con frecuencia a dificultades cuando se enfrentan a un terreno que presenta una topografía en una variedad de escalas de longitud. El terreno es fácilmente atravesado por especies sin extremidades como las serpientes, que son capaces de moverse a través de él. Varios tipos diferentes de animales e insectos, como gusanos, caracoles, orugas y serpientes, pueden moverse sin usar solo sus extremidades. Hirose et al. dan una visión general de los robots que se asemejan a las serpientes en su presentación. Los robots con bandas de rodadura activas, los robots con ruedas pasivas y los robots ondulantes que utilizan ondas verticales o expansiones lineales son los diferentes tipos de robots que se pueden clasificar en esta categoría. Las ruedas, que son utilizadas por la mayoría de los robots con forma de serpiente, tienen un alto nivel de fricción cuando se mueven de un lado a otro, pero un bajo nivel de fricción cuando ruedan hacia adelante (y se puede evitar que rueden hacia la dirección opuesta). Es difícil para los robots con forma de serpiente escalar verticalmente porque la mayoría de ellos utilizan la ondulación rectilínea o lateral como modo de locomoción. Más recientemente, Choset ha construido un robot modular que es capaz de imitar una serie de diferentes andares de serpientes; sin embargo, es incapaz de realizar el movimiento de concertina. Scalybot es el nombre que se le da a dos robots que se asemejan a serpientes que fueron construidos recientemente por investigadores de Georgia Tech. El papel que juegan las escamas ventrales de serpiente en la alteración de las características de fricción en diferentes direcciones es el enfoque principal de estos robots con respecto a su diseño. Estos robots son capaces de ejercer un control activo sobre sus escalas, lo que les permite ajustar sus cualidades de fricción y viajar de manera eficiente a través de muchas superficies diferentes. Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon han producido robots con forma de serpiente que son tanto a escala como accionados convencionalmente.
La escalada es una actividad excepcionalmente desafiante, ya que los pasos en falso del escalador pueden hacer que pierda el agarre y se caiga. Esto hace que la escalada sea una tarea especialmente difícil. Una sola funcionalidad que se puede encontrar en los homólogos biológicos ha sido la base de la mayoría de los robots que se han construido. Las fuerzas de Van der Waals, que son comúnmente utilizadas por los geckobots, solo son efectivas en superficies lisas. Con la ayuda de geckos como fuente de inspiración, investigadores de la Universidad de Stanford han fabricado con éxito la propiedad pegajosa que poseen los geckos. Millones de microfibras fueron colocadas y sujetas a un resorte de una manera análoga a la seta que se encuentra en la pata de un gecko. En condiciones normales, la punta de la microfibra será afilada y puntiaguda; Sin embargo, cuando se activa la microfibra, el movimiento de un resorte generará una tensión que hace que las microfibras se doblen y aumenten el área de contacto que tienen con la superficie de una pared o vidrio. Los científicos que trabajan para la NASA idearon las pinzas para geckos, que incorporan la misma tecnología pero se utilizan para una variedad de tareas diferentes en el espacio. Usando adhesivos secos dirigidos, los Stickybots son más efectivos cuando se aplican a superficies lisas. Entre los robots parecidos a insectos que hacen uso de espinas en lugar de otras partes, los robots Spinybot y RiSE son ejemplos. Hay algunas restricciones que se aplican a los robots trepadores con patas. Debido a su falta de flexibilidad y al hecho de que requieren un gran espacio en el que moverse, no pueden superar impedimentos importantes. La mayoría de las veces, son incapaces de escalar superficies lisas y rugosas, ni son capaces de manejar transiciones de vertical a horizontal.
Hay muchos tipos diferentes de seres vivos, y uno de los trabajos que realizan con frecuencia es saltar. Entre las criaturas que son capaces de saltar más alto se encuentran la liebre, el canguro, el saltamontes, la langosta y el bharal. Utilizando la langosta como fuente de inspiración, EPFL ha desarrollado un pequeño robot saltarín de 7 g que es capaz de saltar hasta 138 centímetros. El proceso de liberación de la tensión de un resorte es lo que hace que ocurra el evento de salto. "TAUB" (Universidad de Tel-Aviv y Facultad de Ingeniería Braude) es el nombre del robot en miniatura que tiene la mayor capacidad de salto. Está inspirado en la langosta y pesa 23 gramos. Su salto más alto es de trescientos sesenta centímetros. Los resortes de torsión se utilizan como medio de almacenamiento de energía, y se incorpora al diseño un mecanismo de alambre y pestillo diseñado para comprimir y liberar los resortes. Se ha afirmado que ETH Zurich ha desarrollado un robot de salto suave que funciona con la combustión de gas de la risa y metano. El volumen de la cámara aumenta significativamente...
