Músculos artificiales impulsan una pierna robótica para caminar y saltar

Los robots hasta la fecha, incluidos los robots humanoides, funcionan con motores, pero unos investigadores japoneses han encontrado la forma de sustituirlos con músculos artificiales

Los inventores e investigadores llevan casi 70 años desarrollando robots. Hasta la fecha, todas las máquinas que han construido -ya sea para fábricas o para cualquier otro lugar- han tenido algo en común: funcionan con motores, una tecnología que ya tiene 200 años. Incluso los robots que caminan tienen brazos y piernas accionados por motores, no por músculos como los humanos y los animales. Esto explica en parte por qué carecen de la movilidad y adaptabilidad de los seres vivos.

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

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 denominada Centro Max Planck ETH de Sistemas de Aprendizaje, conocido como CLS. Los investigadores Thomas Buchner y Toshihiko Fukushima son los autores de la publicación del equipo sobre una pierna robótica musculoesquelética inspirada en animales en Nature Communications.

Cargado eléctricamente como un globo

Como en los humanos y los animales, un músculo extensor y otro flexor garantizan que la pierna robótica pueda moverse en ambas direcciones. Estos actuadores electrohidráulicos, que los investigadores denominan HASEL, están unidos al esqueleto por tendones.

Los actuadores son bolsas de plástico rellenas de aceite, similares a las que se utilizan para hacer cubitos de hielo. Aproximadamente la mitad de cada bolsa está recubierta por ambos lados con un electrodo negro de un material conductor. Buchner explica que «en cuanto aplicamos un voltaje a los electrodos, se atraen entre sí debido a la electricidad estática. Del mismo modo, cuando froto un globo contra mi cabeza, mi pelo 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, con lo que la bolsa se acorta en general.

Las parejas de estos actuadores acoplados a un esqueleto dan lugar a los mismos movimientos musculares emparejados que en los seres vivos: cuando un músculo se acorta, su homólogo se alarga. Los investigadores utilizan un código informático que se comunica con amplificadores de alto voltaje para controlar qué actuadores se contraen y cuáles se extienden.

Más eficientes que los motores eléctricos

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. En cambio, la temperatura de la pierna electrohidráulica permanece invariable. Esto se debe a que el músculo artificial es electrostático. «Es como el ejemplo del globo y el pelo, en el que el pelo se queda pegado al globo durante bastante tiempo», añade Buchner. «Normalmente, los robots accionados por motores eléctricos necesitan una gestión del calor que requiere disipadores térmicos adicionales o ventiladores para difundir el calor al aire. Nuestro sistema no los necesita», afirma Fukushima.

Movimiento ágil en terrenos irregulares

La capacidad de salto de la pata robótica se basa en su capacidad para levantar explosivamente su propio peso. Los investigadores también demostraron que la pierna robótica tiene un alto grado de adaptabilidad, algo especialmente importante para la robótica blanda. Sólo si el sistema musculoesquelético tiene suficiente elasticidad puede adaptarse con flexibilidad al terreno en cuestión. «No es diferente con los seres vivos. Si no podemos doblar las rodillas, por ejemplo, caminar sobre una superficie irregular resulta mucho más difícil», afirma Katzschmann. «Basta pensar en bajar un escalón de la acera a la carretera».

A diferencia de los motores eléctricos, que necesitan sensores para saber constantemente en qué ángulo se encuentra la pierna robótica, el músculo artificial se adapta a la posición adecuada mediante la interacción con el entorno. Para ello sólo necesita dos señales de entrada: una para doblar la articulación y otra para extenderla. Fukushima lo explica: «La adaptación al terreno es un aspecto clave. Cuando una persona aterriza tras saltar en el aire, no tiene que pensar de antemano si debe doblar las rodillas en un ángulo de 90 o 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 dependiendo de si la superficie es dura o blanda.

La tecnología emergente abre nuevas posibilidades

El campo de investigación de los actuadores electrohidráulicos es aún joven, pues surgió hace sólo unos seis años. «El campo de la robótica avanza rápidamente en controles avanzados y aprendizaje automático; en cambio, se ha avanzado mucho menos en hardware robótico, que es igualmente importante. Esta publicación es un poderoso recordatorio de cuánto potencial de innovación disruptiva tiene la introducción de nuevos conceptos de hardware, como el uso de músculos artificiales», afirma Keplinger. Katzschmann añade que es poco probable que los actuadores electrohidráulicos se utilicen en la maquinaria pesada de las obras, pero ofrecen ventajas específicas sobre los motores eléctricos estándar. Esto es especialmente evidente en aplicaciones como las pinzas, donde los movimientos tienen que ser muy personalizados dependiendo de si el objeto que se agarra es, por ejemplo, una pelota, un huevo o un tomate.

Katzschmann tiene una reserva: «Comparado con los robots que caminan con motores eléctricos, nuestro sistema sigue siendo limitado. De momento, la pata está sujeta a una varilla, salta en círculos y aún no puede moverse libremente». Los trabajos futuros deberían superar estas limitaciones, abriendo la puerta al desarrollo de verdaderos robots andantes con músculos artificiales. Y añade «Si combinamos la pierna robótica en un robot cuadrúpedo o un robot humanoide con dos piernas, quizá algún día, cuando funcione con pilas, podamos desplegarlo como robot de rescate».

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