Los robots a escala de insectos pueden meterse en los lugares que sus contrapartes más grandes no pueden, como profundamente en un edificio colapsado para buscar sobrevivientes después de un terremoto.
Sin embargo, a medida que se mueven a través de los escombros, los pequeños robots que se arrastran pueden encontrar obstáculos altos sobre los que no pueden trepar o superficies inclinadas que se deslizarán hacia abajo. Si bien los robots aéreos podrían evitar estos peligros, la cantidad de energía requerida para la vuelo limitaría severamente hasta dónde puede viajar el robotic a los restos antes de que deba regresar a la base y recargarse.
Para obtener lo mejor de ambos métodos de locomoción, los investigadores del MIT desarrollaron un robotic de salto que puede saltar sobre obstáculos altos y saltar a través de superficies inclinadas o desiguales, mientras usan mucha menos energía que un robotic aéreo.
El robotic de lúpulo, que es más pequeño que un pulgar humano y pesa menos que un clip de papel, tiene una pierna elástica que lo impulsa del suelo, y cuatro módulos de ala aleteo que le dan elevación y management su orientación.
El robotic puede saltar unos 20 centímetros al aire, o cuatro veces su altura, a una velocidad lateral de aproximadamente 30 centímetros por segundo, y no tiene problemas para saltar sobre hielo, superficies húmedas y tierra desigual, o incluso en un dron flotante. Todo el tiempo, el robotic de lúpulo eat aproximadamente un 60 por ciento menos de energía que su primo volador.
Debido a su peso ligero y durabilidad, y a la eficiencia energética del proceso de salto, el robotic podría transportar aproximadamente 10 veces más carga útil que un robotic aéreo de tamaño comparable, abriendo la puerta a muchas aplicaciones nuevas.
“Ser capaz de poner baterías, circuitos y sensores a bordo se ha vuelto mucho más factible con un robotic de lúpulo que una voladora. Nuestra esperanza es que algún día este robotic pueda salir del laboratorio y ser útil en escenarios del mundo actual”, cube Yi-Hsuan (Nemo) Hsiao, un estudiante graduado y co-autor de los micrófonos autor de un documento en el robotic de Hopping.
A Hsiao se une al documento por los autores co-líder Songnan Bai, un postdoc de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong; y Zhongtao Guan, un estudiante graduado entrante del MIT que completó este trabajo como estudiante universitario visitante; así como Suhan Kim y Zhijian Ren del MIT; y autores principales Pakpong Chirarattananon, profesor asociado de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong; y Kevin Chen, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT y jefe del Laboratorio Tender y Micro Robótica en el Laboratorio de Investigación de Electrónica. La investigación aparece hoy en Avances científicos.
Maximización de eficiencia
Saltar es común entre los insectos, desde pulgas que saltan a nuevos anfitriones hasta saltamontes que se unen a un prado. Si bien el salto es menos común entre los robots a escala de insectos, que generalmente vuelan o se arrastran, el salto ofrece muchas ventajas para la eficiencia energética.
Cuando un robotic salta, transforma la energía potencial, que proviene de su altura fuera del suelo, en energía cinética a medida que cae. Esta energía cinética se transforma en energía potencial cuando llega al suelo, luego de regreso a la cinética a medida que aumenta, y así sucesivamente.
Para maximizar la eficiencia de este proceso, el robotic MIT está equipado con una pierna elástica hecha de un resorte de compresión, que es comparable a la primavera en una pluma de clic. Esta primavera convierte la velocidad descendente del robotic a la velocidad ascendente cuando golpea el suelo.
“Si tiene una primavera best, su robotic puede saltar sin perder energía. Pero dado que nuestra primavera no es best, usamos los módulos de aleteo para compensar la pequeña cantidad de energía que pierde cuando se pone en contacto con el suelo”, explica Hsiao.
A medida que el robotic rebota en el aire, las alas de aleteo proporcionan elevación, mientras que garantizar que el robotic permanezca en posición vertical y tenga la orientación correcta para su próximo salto. Sus cuatro mecanismos de ala de aleteo funcionan con actuadores blandos, o músculos artificiales, que son lo suficientemente duraderos como para soportar los impactos repetidos con el suelo sin ser dañados.
“Hemos estado usando el mismo robotic para toda esta serie de experimentos, y nunca necesitamos detenerlo y arreglarlo”, agrega Hsiao.
La clave del rendimiento del robotic es un mecanismo de management rápido que determina cómo el robotic debe orientarse para su próximo salto. La detección se realiza utilizando un sistema externo de seguimiento de movimiento, y un algoritmo Observador calcula la información de management necesaria utilizando mediciones de sensores.
A medida que el robotic salta, sigue una trayectoria balística, arqueando el aire. En el pico de esa trayectoria, estima su posición de aterrizaje. Luego, según su punto de aterrizaje objetivo, el controlador calcula la velocidad de despegue deseada para el siguiente salto. Mientras está en el aire, el robotic coloca sus alas para ajustar su orientación, por lo que golpea el suelo con el ángulo y el eje correctos para moverse en la dirección adecuada y a la velocidad derecha.
Durabilidad y flexibilidad
Los investigadores pusieron a prueba el robotic de salto y su mecanismo de management, en una variedad de superficies, incluyendo hierba, hielo, vidrio húmedo y suelo desigual, atravesó con éxito todas las superficies. El robotic incluso podría subirse a una superficie que estaba dinámicamente inclinada.
“Al robotic realmente no le importa el ángulo de la superficie en el que aterriza. Siempre que no se deslice cuando golpea el suelo, estará bien”, cube Hsiao.
Dado que el controlador puede manejar múltiples terrenos, el robotic puede pasar fácilmente de una superficie a otra sin perder un ritmo.
Por ejemplo, el salto a través de la hierba requiere más empuje que saltar a través del vidrio, ya que las cuchillas de hierba causan un efecto de amortiguación que cut back su altura de salto. El controlador puede bombear más energía a las alas del robotic durante su fase aérea para compensar.
Debido a su pequeño tamaño y peso ligero, el robotic tiene un momento de inercia aún más pequeño, lo que lo hace más ágil que un robotic más grande y capaz de soportar colisiones.
Los investigadores mostraron su agilidad demostrando volteretas acrobáticas. El robotic de peso pluma también podría subirse a un dron en el aire sin dañar ninguno de los dispositivos, lo que podría ser útil en tareas de colaboración.
Además, mientras que el equipo demostró un robotic de salto que llevó el doble de peso, la carga útil máxima puede ser mucho mayor. Agregar más peso no hace daño a la eficiencia del robotic. Más bien, la eficiencia de la primavera es el issue más significativo que limita cuánto puede llevar el robotic.
En el futuro, los investigadores planean aprovechar su capacidad para transportar cargas pesadas instalando baterías, sensores y otros circuitos en el robotic, con la esperanza de permitirle saltar de forma autónoma fuera del laboratorio.
Esta investigación es financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y el programa MIT Misti. Chirarattanan fue apoyado por el Consejo de Subvenciones de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong de China. Hsiao cuenta con el apoyo de una beca MathWorks, y Kim cuenta con el apoyo de una beca Zakhartchenko.
