Muchos sistemas robóticos existentes se inspiran en la naturaleza, reproduciendo artificialmente procesos biológicos, estructuras naturales o comportamientos animales para lograr objetivos específicos. Esto se debe a que los animales y las plantas están equipados de forma innata con habilidades que les ayudan a sobrevivir en sus respectivos entornos y que, por tanto, también podrían mejorar el rendimiento de los robots fuera de los entornos de laboratorio.
"Los brazos robóticos blandos son una nueva generación de manipuladores robóticos que se inspiran en las capacidades de manipulación avanzadas exhibidas por organismos 'sin huesos', como tentáculos de pulpo, trompas de elefante, plantas, etc.", Enrico Donato, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, dijo a Tech Xplore. “Traducir estos principios en soluciones de ingeniería da como resultado sistemas compuestos de materiales livianos y flexibles que pueden sufrir una deformación elástica suave para producir un movimiento flexible y diestro. Debido a estas características deseables, estos sistemas se adaptan a las superficies y exhiben robustez física y operación segura para los humanos a un costo potencialmente bajo”.
Si bien los brazos robóticos blandos podrían aplicarse a una amplia gama de problemas del mundo real, podrían ser particularmente útiles para automatizar tareas que implican llegar a ubicaciones deseadas que podrían ser inaccesibles para los robots rígidos. Muchos equipos de investigación han intentado recientemente desarrollar controladores que permitan a estos brazos flexibles abordar estas tareas de forma eficaz.
"Generalmente, el funcionamiento de dichos controladores se basa en formulaciones computacionales que pueden crear un mapeo válido entre dos espacios operativos del robot, es decir, el espacio de tareas y el espacio de actuadores", explicó Donato. “Sin embargo, el funcionamiento adecuado de estos controladores generalmente depende de la retroalimentación visual, lo que limita su validez en entornos de laboratorio, restringiendo la capacidad de implementación de estos sistemas en entornos naturales y dinámicos. Este artículo es el primer intento de superar esta limitación no abordada y ampliar el alcance de estos sistemas a entornos no estructurados”.
"Contrariamente a la idea errónea de que las plantas no se mueven, las plantas se mueven activa y deliberadamente de un punto a otro utilizando estrategias de movimiento basadas en el crecimiento", dijo Donato. “Estas estrategias son tan efectivas que las plantas pueden colonizar casi todos los hábitats del planeta, una capacidad de la que carece el reino animal. Curiosamente, a diferencia de los animales, las estrategias de movimiento de las plantas no surgen de un sistema nervioso central, sino que surgen debido a formas sofisticadas de mecanismos informáticos descentralizados”.
La estrategia de control que sustenta el funcionamiento del controlador de los investigadores intenta replicar los sofisticados mecanismos descentralizados que sustentan los movimientos de las plantas. El equipo utilizó específicamente herramientas de inteligencia artificial basadas en el comportamiento, que consisten en agentes informáticos descentralizados combinados en una estructura ascendente.
"La novedad de nuestro controlador bioinspirado radica en su simplicidad, donde explotamos las funcionalidades mecánicas fundamentales del brazo robótico blando para generar el comportamiento general de alcance", dijo Donato. “Específicamente, el brazo robótico blando se compone de una disposición redundante de módulos blandos, cada uno de los cuales se activa a través de una tríada de actuadores dispuestos radialmente. Es bien sabido que para tal configuración, el sistema puede generar seis direcciones de flexión principales”.
Los agentes informáticos que sustentan el funcionamiento del controlador del equipo explotan la amplitud y la sincronización de la configuración del actuador para reproducir dos tipos diferentes de movimientos de la planta, conocidos como circunnutación y fototropismo. Las circumnutaciones son oscilaciones que se observan comúnmente en las plantas, mientras que el fototropismo son movimientos direccionales que acercan las ramas u hojas de una planta a la luz.
El controlador creado por Donato y sus colegas puede cambiar entre estos dos comportamientos, logrando el control secuencial de brazos robóticos que abarcan dos etapas. La primera de estas etapas es una fase de exploración, donde los brazos exploran su entorno, mientras que la segunda es una fase de alcance, donde se mueven para alcanzar un lugar u objeto deseado.
"Quizás la conclusión más importante de este trabajo en particular es que es la primera vez que se permiten brazos robóticos blandos redundantes que alcanzan capacidades fuera del entorno del laboratorio, con un marco de control muy simple", dijo Donato. “Además, el controlador es aplicable a cualquier softwarerobotEl brazo proporcionó una disposición de actuación similar. Este es un paso hacia el uso de sensores integrados y estrategias de control distribuido en robots continuos y blandos”.
Hasta ahora, los investigadores probaron su controlador en una serie de pruebas, utilizando un brazo robótico modular, liviano y suave, accionado por cable, con 9 grados de libertad (9-DoF). Sus resultados fueron muy prometedores, ya que el controlador permitió que el brazo explorara su entorno y alcanzara una ubicación objetivo de manera más efectiva que otras estrategias de control propuestas en el pasado.
En el futuro, el nuevo controlador podría aplicarse a otros brazos robóticos blandos y probarse tanto en laboratorio como en entornos reales, para evaluar mejor su capacidad para hacer frente a cambios ambientales dinámicos. Mientras tanto, Donato y sus colegas planean desarrollar aún más su estrategia de control, para que pueda producir movimientos y comportamientos adicionales del brazo robótico.
"Actualmente estamos buscando mejorar las capacidades del controlador para permitir comportamientos más complejos, como seguimiento de objetivos, entrelazamiento de brazos completos, etc., para permitir que dichos sistemas funcionen en entornos naturales durante largos períodos de tiempo", añadió Donato.
Hora de publicación: 06-jun-2023