En el sótano del Centro de Ingeniería de la Universidad de Colorado Boulder, un grupo de investigadores está trabajando para crear la próxima generación de robots. En lugar de los droides metálicos que puede estar imaginando, están desarrollando robots hechos de materiales blandos que sonmás similar a los sistemas biológicos. Estos robots blandos contienen un enorme potencial para aplicaciones futuras, ya que se adaptan a entornos dinámicos y son adecuados para interactuar estrechamente con los humanos.
Un desafío central en este campo conocido como "robótica blanda" es la falta de actuadores o "músculos artificiales" que puedan replicar la versatilidad y el rendimiento de lo real. Sin embargo, el Grupo de Investigación Keplinger en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadasha desarrollado una nueva clase de dispositivos blandos, activados eléctricamente, capaces de imitar la expansión y contracción de los músculos naturales. Estos dispositivos, que pueden construirse a partir de una amplia gama de materiales de bajo costo, son capaces de percibir sus movimientos y-se cura de daños eléctricos, lo que representa un avance importante en robótica blanda.
Los actuadores electrostáticos autorreparables hidráulicamente amplificados HASEL recientemente desarrollados evitan los voluminosos y rígidos pistones y motores de los robots convencionales para estructuras blandas que reaccionan al voltaje aplicado con una amplia gama de movimientos. Los dispositivos blandos pueden realizar una variedad de tareas, incluyendo agarrar objetos delicados como una frambuesa y un huevo crudo, así como levantar objetos pesados. Los actuadores HASEL superan o igualan la fuerza, la velocidad y la eficiencia del músculo biológico y su versatilidad puede habilitar músculos artificiales para robots similares a los humanos y un próximogeneración de prótesis.
Hoy se detallan tres diseños diferentes de actuadores HASEL en artículos separados que aparecen en las revistas ciencia y Ciencia robótica .
"Nos inspiramos en las asombrosas capacidades del músculo biológico", dijo Christoph Keplinger, autor principal de ambos artículos, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y miembro del Programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales. "Los actuadores HASEL sinergizanlas fortalezas de los actuadores fluidos suaves y electrostáticos suaves, y por lo tanto combinan versatilidad y rendimiento como ningún otro músculo artificial antes. Al igual que los músculos biológicos, los actuadores HASEL pueden reproducir la adaptabilidad de un brazo de pulpo, la velocidad de un colibrí y la fuerza de un elefante. "
Una iteración de un dispositivo HASEL, descrito en ciencia video resumen del papel, consiste en una cubierta de elastómero en forma de rosquilla llena con un líquido eléctricamente aislante como aceite de canola y conectada a un par de electrodos opuestos. Cuando se aplica voltaje, el líquido se desplaza y conducecambio de forma de la cubierta blanda. Como ejemplo de una posible aplicación, los investigadores colocaron varios de estos actuadores uno frente al otro y lograron un efecto de agarre tras la activación eléctrica. Cuando se apaga el voltaje, el agarre se suelta.
Otro diseño de HASEL está hecho de capas de conductores iónicos altamente estirables que intercalan una capa de líquido y se expande y contrae linealmente al activarse para levantar un galón de agua suspendido o flexionar un brazo mecánico que sostiene una pelota de béisbol.
Además de servir como fluido hidráulico que permite movimientos versátiles, el uso de una capa aislante líquida permite que los actuadores HASEL se curen automáticamente de daños eléctricos. Otros actuadores suaves controlados por alto voltaje, también conocidos como actuadores de elastómero dieléctrico, utilizan uncapa aislante sólida que falla catastróficamente por daño eléctrico. Por el contrario, la capa aislante líquida de los actuadores HASEL recupera inmediatamente sus propiedades aislantes después de un daño eléctrico. Esta capacidad de recuperación permite a los investigadores escalar de manera confiable los dispositivos para ejercer mayores cantidades de fuerza.
"La capacidad de crear actuadores suaves eléctricos que levantan un galón de agua varias veces por segundo es algo que no hemos visto antes. Estas demostraciones muestran el emocionante potencial de HASEL", dijo Eric Acome, estudiante de doctorado en Keplingergrupo y el autor principal del ciencia documento. "El alto voltaje requerido para la operación es un desafío para avanzar. Sin embargo, ya estamos trabajando para resolver ese problema y hemos diseñado dispositivos en el laboratorio que operan con una quinta parte del voltaje utilizado en este documento".
Los actuadores HASEL también pueden detectar la entrada ambiental, al igual que los músculos y nervios humanos. La combinación de electrodo y dieléctrico en estos actuadores forma un capacitor. Esta capacitancia, que cambia con el estiramiento del dispositivo, se puede usar para determinar la tensión del actuadorLos investigadores conectaron un actuador HASEL a un brazo mecánico y demostraron la capacidad de accionar el brazo al mismo tiempo que detectan la posición.
Un tercer diseño, detallado en Ciencia robótica y conocido como actuador Peano-HASEL, consta de tres pequeñas bolsas rectangulares llenas de líquido, ensambladas en serie. La carcasa de polímero está hecha del mismo material de bajo costo que una bolsa de papas fritas, y es delgada, transparente,y flexible. Los dispositivos Peano-HASEL se contraen con la aplicación de un voltaje, al igual que los músculos biológicos, lo que los hace especialmente atractivos para aplicaciones robóticas. Su movimiento accionado eléctricamente permite operar a velocidades superiores a las del músculo humano.
La versatilidad y simplicidad de la tecnología HASEL se presta a aplicaciones industriales generalizadas, tanto ahora como en el futuro.
"Podemos fabricar estos dispositivos por alrededor de diez centavos, incluso ahora", dijo Nicholas Kellaris, también estudiante de doctorado en el grupo Keplinger y autor principal del estudio Science Robotics. "Los materiales son de bajo costo, escalables y compatiblescon las técnicas de fabricación industrial actuales. "
La investigación futura intentará optimizar aún más los materiales, la geometría y explorar las técnicas de fabricación avanzadas para continuar mejorando la plataforma HASEL y habilitar rápidamente aplicaciones prácticas.
Los investigadores han obtenido patentes para la tecnología y actualmente están explorando oportunidades comerciales con la ayuda de la Oficina de Transferencia de Tecnología de CU Boulder.
"La investigación que sale del laboratorio del Dr. Keplinger es nada menos que asombrosa", dijo Bobby Braun, decano de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de CU Boulder. "Él y su equipo de estudiantes están ayudando a crear el futuro de la flexibilidad, más-Robots similares a los humanos que se pueden utilizar para mejorar la vida y el bienestar de las personas. Esta línea de investigación es una de las fortalezas interdisciplinarias fundamentales de nuestra universidad ".
El ciencia Shane Mitchell, Timothy Morrissey, Madison Emmett, Claire Benjamin, Madeline King y Miles Radakovitz, del Departamento de Ingeniería Mecánica, son coautores del artículo. Ciencia robótica Shane Mitchell, Vidyacharan Gopaluni Venkata y Garrett Smith de Mechanical Engineering son coautores del artículo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Original escrito por Trent Knoss. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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