Para superar la rigidez del material y las limitaciones de actuación en los sistemas robóticos actuales, un proyecto de investigación conjunto del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la Universidad de Minnesota buscó la inspiración de los invertebrados.
El Ejército de los EE. UU. Utiliza robots que son estructuralmente rígidos, lo que los hace poco prácticos al realizar operaciones militares en entornos urbanos muy congestionados y disputados, donde las maniobras encubiertas son críticas para obtener la superioridad militar.
"La maniobra sigilosa exitosa requiere una gran flexibilidad estructural y control distributivo para colarse en espacios confinados o restringidos, operar durante períodos prolongados y emular morfologías biológicas y adaptabilidad", dijo el Dr. Ed Habtour, investigador de ARL que se especializa en dinámicas estructurales no lineales.
Según Habtour, los robots militares actuales tienen dos limitaciones principales que les impiden imitar la locomoción de organismos biológicos.
Primero, estos robots carecen de la flexibilidad dinámica necesaria, ya que en su mayoría están ensamblados con componentes mecánicos y electrónicos rígidos.
Segundo, los robots rígidos requieren mecanismos complejos y circuitos eléctricos para lograr una actuación activa y modos de movimiento complejos.
Para superar estas limitaciones, un proyecto conjunto de investigación de ARL y UMN buscó inspiración de invertebrados.
Este esfuerzo de investigación condujo a la creación de prototipos de actuadores suaves utilizando materiales activos con parámetros notablemente ajustables, como flexibilidad estructural, morfología y actuación dinámica.
El prototipo es el primer actuador de elastómero dieléctrico impreso completamente en 3-D, o DEA, que puede realizar un alto movimiento de flexión.
Las DEA impresas en 3D exhibieron desviaciones significativamente mayores, tres veces más que otros ejemplos recientes en la literatura científica.
Estos resultados fueron publicados en Cartas de mecánica extrema EML en un documento titulado: "Actuadores suaves de accionamiento eléctrico impresos en 3D", 2018.
"En la fase inicial del proyecto, nuestro equipo comenzó investigando nuevos métodos para emular la locomoción de invertebrados, que proporcionaron información fundamental sobre las maquinarias de sus circuitos de actuación distribuidos suaves que permiten movimientos de flexión elevados sin soporte esquelético", dijoProfesor Michael McAlpine de UMN.
La comprensión de los mecanismos innatos de la actuación distributiva observada en la naturaleza ayudó al equipo a identificar los parámetros importantes que pueden manipularse para realizar funciones novedosas, como lograr modos de movimiento altamente flexibles.
Según McAlpine, para obtener información científica sobre la importancia de estos parámetros, primero fue necesario construir y probar un prototipo similar a los actuadores que se encuentran en la naturaleza a través de una plataforma de impresión 3D personalizada, y luego desarrollar unmodelo matemático para estudiar la sensibilidad de cada parámetro y predecir los diversos mecanismos de actuación óptimos.
UMN 3-D impreso circuitos de actuación distribuidos que involucran materiales blandos y elásticos con propiedades mecánicas similares a los organismos biológicos como los cefalópodos y gusanos.
ARL creó un modelo generalizado utilizando un enfoque de formulación energética, que fue clave para identificar dos mecanismos importantes para permitir un alto movimiento de flexión en actuadores biológicos suaves: i ajustar las propiedades físicas mecánicas y geométricas mediante la explotación de la interacción entre los materiales yno linealidades dinámicas para aumentar el movimiento; y ii resaltar el acoplamiento electromecánico entre el campo eléctrico y la rigidez estructural no lineal a través de los circuitos de actuación distributiva.
"Los hallazgos de la investigación representan un paso importante para proporcionar al Solider una plataforma de fabricación autónoma de forma libre - impresora 3-D de próxima generación, que puede imprimir materiales y dispositivos funcionales - para generar actuadores blandos y robots blandos potencialmente inmovilizados bajo demanda, sobre la marcha y en el punto de necesidad ", dijo Habtour.
Habtour señaló que la investigación también sugiere que los actuadores blandos pueden ser candidatos principales para la fabricación aditiva autónoma en el campo de batalla.
"A diferencia de los DEA impresos en 3-D actuales, el nuevo método de fabricación no requiere pasos de procesamiento posterior, como el ensamblaje, el secado o el recocido", dijo el autor principal Ghazaleh Haghiashtiani. "Con el nuevo método de impresión en 3-D, el Soliderpuede aprovechar las propiedades de actuación únicas de los DEA blandos a nivel de materiales fundamentales con resolución y complejidad a microescala, con una experiencia previa mínima ".
En cuanto a los próximos pasos, Habtour dijo que la intención es desarrollar los principios experimentales y teóricos que gobiernan la interacción entre las interfaces internas y la cinética de las interacciones en los sistemas de variación en el tiempo observados en los organismos biológicos, lo que garantiza su locomoción flexible y resiliencia.
"Las interacciones intrigantes entre las propiedades micromecánicas de los materiales y varias no linealidades pueden proporcionar nuevas oportunidades científicas para emular las interacciones simbióticas en los sistemas biológicos", dijo Habtour. "Si podemos entender estas interacciones, entonces podemos usar esas ideas para fabricar dinámicasestructuras y robots flexibles que están diseñados para ser conscientes de sí mismos, auto-sensibles y capaces de ajustar sus morfologías y propiedades en tiempo real para adaptarse a una miríada de condiciones externas e internas ".
Con esto, Habtour afirmó que las implicaciones serán descubrir dinámicas emergentes de estructuras vivas y emularlas, fabricar estructuras y dispositivos funcionalmente complejos de forma autónoma y explotar nuevos modos de actuación que no se pueden lograr en sistemas robóticos y mecánicos convencionales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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