Los robots con pies pegajosos pueden trepar, bajar y por todas partes

Los robots con pies pegajosos pueden trepar, bajar y por todas partes

HAMR-E usa almohadillas electroadhesivas en sus pies y un patrón de marcha especial para trepar en superficies verticales, invertidas y curvas, como el interior de este motor a reacción. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

Los motores a reacción pueden tener hasta 25.000 piezas individuales, lo que hace que el mantenimiento regular sea una tarea tediosa que puede llevar más de un mes por motor. Muchos componentes están ubicados en el interior del motor y no se pueden inspeccionar sin desmontar la máquina, lo que agrega tiempo y costos al mantenimiento. Este problema no se limita únicamente a los motores a reacción; muchas máquinas complicadas y costosas, como equipos de construcción, generadores e instrumentos científicos, requieren grandes inversiones de tiempo y dinero para inspeccionar y mantener.

Investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard y de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) han creado un micro-robot cuyas almohadillas electroadhesivas para los pies, articulaciones de tobillo de origami y un modo de caminar especialmente diseñado le permiten trepar en vertical. y superficies conductoras invertidas, como las paredes interiores de un motor a reacción comercial. El trabajo se informa en Ciencia Robótica.

“Ahora que estos robots pueden explorar en tres dimensiones en lugar de simplemente moverse hacia adelante y hacia atrás en una superficie plana, hay un mundo completamente nuevo en el que pueden moverse e interactuar”, dijo el primer autor S 茅 bastien de Rivaz, un ex investigador Miembro del Wyss Institute y SEAS que ahora trabaja en Apple. “Algún día podrían permitir la inspección no invasiva de áreas de difícil acceso de máquinas grandes, ahorrando tiempo y dinero a las empresas y haciendo que esas máquinas sean más seguras”.

El nuevo robot, llamado HAMR-E (Harvard Ambulatory Micro-Robot with Electroadhesion), fue desarrollado en respuesta a un desafío enviado al Harvard Microrobotics Lab por Rolls-Royce, que preguntaba si sería posible diseñar y construir un ejército de micro-robots capaces de trepar dentro de partes de sus motores a reacción que son inaccesibles para los trabajadores humanos. Los robots trepadores existentes pueden abordar superficies verticales, pero experimentan problemas al intentar trepar boca abajo, ya que requieren una gran cantidad de fuerza adhesiva para evitar que se caigan.

#RoboFail. Ocasionalmente, más de uno de los pies de plataforma HAMR-E 檚 se desprendieron, lo que impidió la escalada invertida. Los investigadores esperan superar estos fallos incorporando tecnologías de detección en los robots. Crédito: de Rivaz et al., Sci. Robot. 3, eaau3038 (2018)

El equipo basó el HAMR-E en uno de sus micro-robots existentes, HAMR, cuyas cuatro patas le permiten caminar sobre superficies planas y nadar en el agua. Si bien el diseño básico de HAMR-E es similar a HAMR, los científicos tuvieron que resolver una serie de desafíos para lograr que HAMR-E se adhiera y atraviese con éxito las superficies verticales, invertidas y curvas que encontraría en un motor a reacción.

Primero, necesitaban crear almohadillas adhesivas para los pies que mantuvieran al robot adherido a la superficie incluso cuando estuviera boca abajo, pero también se soltaran para permitir que el robot “caminara” levantando y colocando sus pies. Las almohadillas constan de un electrodo de cobre aislado con poliimida, que permite la generación de fuerzas electrostáticas entre las almohadillas y la superficie conductora subyacente. Las almohadillas para los pies se pueden soltar y volver a acoplar fácilmente encendiendo y apagando el campo eléctrico, que funciona a un voltaje similar al requerido para mover las piernas del robot, por lo que requiere muy poca energía adicional. Las almohadillas electroadhesivas para los pies pueden generar fuerzas de corte de 5,56 gramos y fuerzas normales de 6,20 gramos, más de lo que es suficiente para evitar que el robot de 1,48 gramos se deslice o caiga de su superficie de escalada. Además de proporcionar altas fuerzas adhesivas, las almohadillas se diseñaron para poder flexionarse, lo que permite al robot trepar sobre superficies curvas o irregulares.

Los científicos también crearon nuevas articulaciones de tobillo para HAMR-E que pueden rotar en tres dimensiones para compensar las rotaciones de sus piernas mientras camina, lo que le permite mantener su orientación en su superficie de escalada. Las articulaciones se fabricaron con capas de fibra de vidrio y poliimida, y se doblaron en una estructura similar a un origami que permite que los tobillos de todas las piernas giren libremente y se alineen pasivamente con el terreno a medida que HAMR-E sube.

Un HAMR-E girando sobre una superficie de madera. Crédito: de Rivaz et al., Sci. Robot. 3, eaau3038 (2018)

Finalmente, los investigadores crearon un patrón de marcha especial para HAMR-E, ya que necesita tener tres almohadillas de pie tocando una superficie vertical o invertida en todo momento para evitar que se caiga o se deslice. Un pie se suelta de la superficie, se balancea hacia adelante y se vuelve a unir, mientras que los tres pies restantes permanecen adheridos a la superficie. Al mismo tiempo, el pie aplica una pequeña cantidad de torsión en diagonal a través del pie levantado para evitar que el robot se aleje de la superficie de escalada durante la fase de balanceo de piernas. Este proceso se repite para las otras tres piernas para crear un ciclo completo de caminata y se sincroniza con el patrón de cambio de campo eléctrico en cada pie.

Cuando se probó HAMR-E en superficies verticales e invertidas, pudo lograr más de cien pasos seguidos sin separarse. Caminaba a velocidades comparables a otros robots trepadores pequeños en superficies invertidas y ligeramente más lento que otros robots trepadores en superficies verticales, pero era significativamente más rápido que otros robots en superficies horizontales, lo que lo convierte en un buen candidato para explorar entornos que tienen una variedad de superficies en diferentes arreglos en el espacio. También es capaz de realizar giros de 180 grados en superficies horizontales.

HAMR-E también maniobró con éxito alrededor de una sección curva e invertida de un motor a reacción mientras permanecía unido, y sus articulaciones pasivas de tobillo y almohadillas adhesivas para los pies pudieron adaptarse a las características ásperas y desiguales de la superficie del motor simplemente aumentando el voltaje de electroadhesión.

HAMR-E trepando por una superficie conductora invertida. Crédito: de Rivaz et al., Sci. Robot. 3, eaau3038 (2018)

El equipo continúa perfeccionando HAMR-E y planea incorporar sensores en sus piernas que puedan detectar y compensar las almohadillas de los pies desprendidas, lo que ayudará a evitar que se caiga de superficies verticales o invertidas. La capacidad de carga útil de HAMR-E también es mayor que su propio peso, lo que abre la posibilidad de llevar una fuente de alimentación y otros componentes electrónicos y sensores para inspeccionar varios entornos. El equipo también está explorando opciones para usar HAMR-E en superficies no conductoras.

“Esta iteración de HAMR-E es el primer y más convincente paso para demostrar que este enfoque de un robot trepador de escala centimétrica es posible, y que dichos robots podrían usarse en el futuro para explorar cualquier tipo de infraestructura, incluidos edificios, tuberías. , motores, generadores y más “, dijo el autor correspondiente Robert Wood, Ph.D., quien es miembro fundador de la facultad principal del Wyss Institute y profesor Charles River de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en SEAS.

“Si bien los científicos académicos son muy buenos para plantear preguntas fundamentales para explorar en el laboratorio, a veces se requieren colaboraciones con científicos industriales que comprenden los problemas del mundo real para desarrollar tecnologías innovadoras que puedan traducirse en productos útiles. Estamos entusiasmados de ayudar a catalizar estas colaboraciones aquí en el Instituto Wyss, y para ver los avances revolucionarios que surgen “, dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es profesor de Biología Vascular Judah Folkman en la Facultad de Medicina de Harvard y Biología Vascular Programa en Boston Children’s Hospital y Profesor de Bioingeniería en SEAS.


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