¿Cómo ablandar a un robot?

Fuerza, resistencia, rigidez… Las grandes bazas de los robots de materiales rígidos son también su punto débil. Es hora de ablandarlos

Antonio Barrientos Cruz, Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y Silvia Terrile, Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

Sitúese en una fábrica de coches hace 100 años. ¿Cómo se la imagina? Si la ve como una nave llena de operarios realizando pesados trabajos manuales, ha acertado. Pero, ¿y hoy? Ya casi no hay personas. En su lugar hay enormes brazos robóticos que sincronizadamente operan sin parar día y noche, permitiendo que, por ejemplo, solo en España, se produzcan más de 6 000 mil coches diarios de media.

Todos los coches producidos son exactamente iguales y casi sin desperfectos. ¡Qué maravilla estos brazos robóticos, fuertes, resistentes, incansables y forjados en duro metal que con precisión quirúrgica ejecutan todas nuestras órdenes! Pero, ¿realmente podrían ejecutar cualquier orden?

Obviamente no. ¿Y por qué? Lo que hace que este tipo de robots sean tan eficientes (fuerza, resistencia, rigidez, precisión) es también su punto débil.

Imagine que pretendemos utilizar uno de estos brazos robóticos para inspeccionar un conducto, una tubería estrecha. Probablemente nuestro robot que fabrica coches solo podría asomarse a la entrada de la tubería, porque su rigidez le impediría adaptarse a la forma curvada del conducto. Esto también nos pasa a nosotros, los humanos. Intente tocar el codo derecho con la mano del mismo brazo, ¿puede hacerlo? Claramente no, porque al igual que un brazo robótico un brazo humano está compuesto por una serie de eslabones rígidos conectados por articulaciones. ¿Y si el brazo no fuera rígido? Es decir, ¿que ventajas tendríamos si en lugar de brazos tuviéramos tentáculos de pulpo o trompas de elefante?

Robots inspirados en la naturaleza

Probablemente esta es la misma pregunta que se hicieron Hannan y Walker cuando hace ya más de 20 años decidieron construir uno de los primeros y más famosos brazos robóticos que pretendían asemejarse a una trompa de elefante.

Este modelo de robot hizo ver que era posible y necesario construir brazos robóticos que se adaptasen mejor a la forma de su entorno gracias a sus mayores capacidades de movimiento, y que, además, podían ser más ligeros y, sobre todo, flexibles.

Muchos investigadores han utilizado también la inspiración en la naturaleza para el desarrollo de robots que, a semejanza de algunos animales, tienen partes blandas que facilitan el desarrollo de tareas que no pueden ser realizadas por los robots rígidos por su imposibilidad de adaptarse al entorno.

¿Si una medusa puede plegar y deformar continuamente su cuerpo, por qué no hacer lo mismo con un robot? Así surgió la robótica bioinspirada.

Pero llevar la idea a la realidad no es nada sencillo. Imitar años de evolución con los recursos de la ingeniería tiene fuertes limitaciones, más aún cuando buena parte de la tecnología y la ciencia empleadas hasta el momento para construir robots, poco o nada tienen que ver con los organismos naturales. Es preciso repensarlo todo, nada de acero y grandes motores. Hay que utilizar o incluso desarrollar nuevos materiales más blandos, adaptables y ligeros, como la silicona o los materiales plásticos.

Un material blando es aquel que cede fácilmente a la presión del tacto, nos dice el diccionario. Por extensión, un robot blando sería aquel que se deforma en cierta medida ante la aplicación de alguna fuerza en su estructura. Esta característica no solo le da la capacidad de adaptar su forma para alcanzar lugares de difícil acceso, sino que, además, por deformarse al someterse a una fuerza externa, es menos peligroso ante un impacto con su entorno.

Cómo hacer motores blandos

El cuerpo del robot, igual que en un coche el chasis, no es nada si no tiene un motor que lo mueva. Precisamente un motor no es algo que se pueda considerar blando, por eso los investigadores no sólo estudian nuevos materiales, sino también nuevos actuadores (los elementos que generan el movimiento en el robot).

Entre ellos se encuentran las SMA (aleaciones de níquel y titanio que, tras ser deformadas, recuperan su forma original al calentarse) o los IPMC (compuestos iónicos de polímero-metal que pueden imaginarse como un fino sándwich de una membrana de electrolito entre dos panes de metal noble que se pliega al aplicar una diferencia de tensiones entre los panes). Aunque también se pueden emplear actuadores más comunes como vejigas que se inflan (y deforman) mediante aire, agua u otro fluido a presión.

Gobernar lo impredecible

La utilización de estos nuevos materiales y actuadores ha permitido el desarrollo de robots bioinspirados en tentáculos, lombrices, serpientes, peces, medusas, estrellas de mar… y también ha dado lugar a la aparición de nuevos retos para resolver.

Controlar estos robots, hacer que se comporten como pretendemos, es mucho más complejo que en el caso de los bien conocidos brazos robóticos rígidos.

Si pensamos en un tentáculo nos costará predecir cómo se moverá para llegar a alcanzar un objeto porque, de hecho, tiene muchas formas de conseguirlo, mientras que nuestro brazo humano solo puede hacerlo en unas pocas maneras.

¿Y cómo se controla algo impredecible? Una posibilidad es utilizar las técnicas de aprendizaje de máquina y en particular el aprendizaje por refuerzo que son una opción prometedora para modelar y controlar a los robots blandos.

Estas técnicas emulan en ciertos aspectos el proceso que seguiría un humano para construir el modelo mental del comportamiento del robot blando, y definir así como manejarlo. Para ello , realiza numerosas y consecutivas pruebas en las que se generan órdenes de mando y se observa si se alcanza el objetivo deseado, reforzando aquellas órdenes que tienen éxito y penalizando las que no.

El éxito de las garras blandas

Ahora bien, reproducir animales resulta bastante entretenido para los ingenieros robóticos, pero quizás no sea demasiado útil. Por ejemplo ¿para qué podría servir un robot inspirado en una estrella de mar? Quizás para nada, pero, ¿y si en lugar de verla como una estrella de mar que camina por el lecho marino, la imaginamos como una garra que abre moluscos bivalvos?

Entre las aplicaciones actualmente más exitosas de la robótica blanda están las garras blandas.

Las garras robóticas son extensamente empleadas en la industria para mover piezas de forma rápida y precisa pero, al igual que los brazos, suelen ser rígidas y duras, no muy adecuadas para manipular frutas u otros objetos blandos.

Las pinzas blandas son ya una realidad que pueden ser adquiridas a los fabricantes habituales.

La idea de la trompa de elefante también ha evolucionado encontrando aplicaciones prácticas, especialmente en tareas de inspección o en aplicaciones médicas como los endoscopios.

Además, los nuevos materiales y actuadores han sido ya empleado con cierto éxito en el desarrollo de exoesqueletos para la rehabilitación de extremidades (hombro, codo, manos, rodillas, tobillo). Su capacidad para deformarse aporta un imprescindible componente de seguridad intrínseca a la hora de estar ejerciendo fuerzas sobre las articulaciones del usuario.

Si cuesta imaginarse robots blandos inspirados en animales, hay que saber que no son el único organismo viviente que la ingeniería está intentando imitar, pues también se están realizando las primeras plantas robóticas, claro está, blandas, cuyas hojas son sensibles a la humedad o cuyas raíces excavan en profundidad.

El futuro será híbrido

¿Nos espera un futuro en el que estemos rodeados de robots blandos?

Queda mucho por recorrer pero seguramente el futuro de la robótica no será ni duro ni blando, sino híbrido. Se parecerá a lo que ocurre con los humanos, que pueden tensar sus músculos hasta tener la rigidez estructural necesaria para golpear con fuerza en un yunque o relajarlos, consiguiendo la elasticidad que les permite abrazarse unos a otros adaptando sus formas mutuamente.

Los robots del futuro podrán variar su rigidez según la tarea, dejándose deformar o siendo ellos los que deforman. Esto requiere nuevos avances en actuadores, sensores, materiales y técnicas de control. El mismo conjunto de tecnologías facilitadoras que ya ha recorrido la robótica desde sus comienzos.

Antonio Barrientos Cruz, Profesor de Automática y Robótica, Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y Silvia Terrile, Phd Robotics and Automation, Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.