Hemos visto robots volar, sumergirse bajo las olas y realizar todo tipo de maniobras en tierra. Ahora, los investigadores de la UC Santa Bárbara y el Instituto de Tecnología de Georgia están explorando una nueva frontera: el suelo bajo nuestros pies. Tomandosiguiendo las señales de plantas y animales que han evolucionado para navegar por espacios subterráneos, han desarrollado un robot blando rápido y controlable que puede excavar en la arena. La tecnología no solo permite nuevas aplicaciones para movimientos subterráneos rápidos, precisos y mínimamente invasivos, sino que también establececimientos mecánicos para nuevos tipos de robots.
"Los mayores desafíos para moverse a través del suelo son simplemente las fuerzas involucradas", dijo Nicholas Naclerio, investigador estudiante graduado en el laboratorio del profesor de ingeniería mecánica de UC Santa Bárbara Elliot Hawkes y autor principal de un artículo en la portada de la revista. Ciencia robótica . Mientras que el aire y el agua ofrecen poca resistencia a los objetos que se mueven a través de ellos, explicó, el mundo subterráneo es otra historia.
"Si está tratando de moverse por el suelo, debe empujar el suelo, la arena u otro medio fuera del camino", dijo Naclerio.
Afortunadamente, el mundo natural proporciona numerosos ejemplos de navegación subterránea en forma de plantas y hongos que construyen redes subterráneas y animales que han dominado la capacidad de hacer túneles directamente a través de medios granulares. Obtener una comprensión mecánica de cómo las plantas y los animales han dominado losLa navegación abre muchas posibilidades para la ciencia y la tecnología, según Daniel Goldman, profesor de física de la familia Dunn en Georgia Tech.
"El descubrimiento de principios mediante los cuales diversos organismos nadan y excavan con éxito dentro de medios granulares puede conducir al desarrollo de nuevos tipos de mecanismos y robots que pueden aprovechar tales principios", dijo. "Y recíprocamente, el desarrollo de un robot con talesLas capacidades pueden inspirar nuevos estudios en animales, así como señalar nuevos fenómenos en la física de sustratos granulares ".
Los investigadores tuvieron una buena ventaja con un robot blando similar a una enredadera diseñado en el Laboratorio Hawkes que imita a las plantas y la forma en que navegan al crecer desde sus puntas, mientras que el resto del cuerpo permanece estacionario. En el entorno subterráneo, tipLa extensión, según los investigadores, sigue resistiendo fuerzas bajas y localizadas solo en el extremo en crecimiento; si todo el cuerpo se moviera a medida que crecía, la fricción sobre toda la superficie aumentaría a medida que más robot entrara en la arena hasta que el robot ya no pudiera moverse..
Los animales de madriguera, mientras tanto, sirven de inspiración para una estrategia adicional llamada fluidización granular, que suspende las partículas en un estado similar a un fluido y permite al animal superar el alto nivel de resistencia presentado por la arena o el suelo suelto. El pulpo de arena del sur, por ejemplo, expulsa un chorro de agua al suelo y usa sus brazos para empujarse hacia la arena suelta temporalmente. Esa habilidad se abrió paso en el robot de los investigadores en forma de un dispositivo de flujo basado en una punta que lanza aire haciala región justo por delante del extremo en crecimiento, lo que le permite moverse hacia esa área.
"El mayor desafío que encontramos y lo que nos llevó más tiempo resolverlo fue cuando cambiamos a la excavación horizontal, nuestros robots siempre salían a la superficie", dijo Naclerio. Mientras que los gases o líquidos fluyen uniformemente por encima y por debajo de un objeto simétrico que viaja, explicó,en arena fluidizada, la distribución de fuerzas no es tan equilibrada y crea una fuerza de elevación significativa para el robot que se desplaza horizontalmente. "Es mucho más fácil empujar la arena hacia arriba y fuera del camino que compactarla".
Para comprender el comportamiento del robot y la física en gran parte inexplorada de las intrusiones asistidas por aire, el equipo tomó medidas de arrastre y elevación como resultado de diferentes ángulos de flujo de aire desde la punta de una varilla sólida empujada horizontalmente en la arena.
"La respuesta a la fuerza de fricción en materiales granulares difiere mucho de la de los fluidos newtonianos, ya que la intrusión en la arena puede compactar y estresar grandes franjas de terreno en la dirección del movimiento debido a la alta fricción", dijo Andras Karsai, investigador estudiante graduado en Goldmanlaboratorio. "Para mitigar esto, un fluido de baja densidad que levanta y empuja los granos lejos de un intruso a menudo reducirá la tensión de fricción neta que tiene que superar".
A diferencia del gas o el líquido, donde un chorro de fluido hacia abajo crearía elevación para el objeto en movimiento, en la arena el flujo de aire hacia abajo redujo las fuerzas de elevación y excavó la arena debajo de la punta de crecimiento del robot. Esto, combinado con la inspiración del lagarto pez de arena., cuya cabeza en forma de cuña favorece el movimiento hacia abajo, permitió a los investigadores modular las fuerzas de resistencia y mantener al robot en movimiento horizontal sin levantarse de la arena.
Un robot pequeño, exploratorio y blando como este tiene una variedad de aplicaciones donde se necesita excavación poco profunda a través de medios granulares secos, como muestreo de suelo, instalación subterránea de servicios públicos y control de erosión. La extensión de la punta permite cambios de dirección, al mismo tiempo que permiteel cuerpo del robot para modular qué tan firmemente anclado está en el medio, control que podría ser útil para la exploración en entornos de baja gravedad. De hecho, el equipo está trabajando en un proyecto con la NASA para desarrollar madrigueras para la luna o incluso máscuerpos distantes, como Encelado, una luna de Júpiter.
"Creemos que la excavación tiene el potencial de abrir nuevas vías y habilitar nuevas capacidades para la robótica extraterrestre", dijo Hawkes.
La investigación para este artículo también fue realizada por Mason Murray-Cooper, Yasemin Ozkan-Aydin y Enes Aydin en el Instituto de Tecnología de Georgia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Sonia Fernandez. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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