La poderosa carrera del guepardo, el deslizamiento ágil de la serpiente y la prensión diestra de los humanos surgen de la interacción perfecta entre tejidos blandos y duros, donde músculos, tendones, ligamentos y huesos trabajan en conjunto para proporcionar energía, precisión y rango de movimiento a acciones complejas. En robótica, replicar esta diversidad musculoesquelética es muy desafiante. Aunque la impresión 3D con múltiples materiales puede imitar la diversidad de los tejidos biológicos, anteriormente no permitía un control continuo sobre propiedades clave de las estructuras robóticas, como la rigidez o la resistencia a la carga.
Ahora, un equipo del Laboratorio de Diseño y Fabricación de Robótica Computacional (CREATE) de la Facultad de Ingeniería de la EPFL, dirigido por la Prof. Josie Hughes, ha desarrollado una estructura reticular innovadora que combina la diversidad de los tejidos biológicos con el control y la precisión robóticos. El reticulado, hecho de un material espumoso simple, consta de múltiples unidades (células) independientes cuya forma y posición pueden programarse. Estas células pueden adoptar más de un millón de configuraciones diferentes e incluso combinarse para crear variaciones geométricas infinitas.
El investigador postdoctoral Qinghua Guan afirma: "Utilizamos nuestra tecnología de reticulado programable para construir un robot elefante inspirado en el sistema musculoesquelético. Tiene una trompa suave que puede torcerse, flexionarse y girar, junto con articulaciones de cadera, rodilla y pie más rígidas. Esto demuestra que nuestro enfoque proporciona una solución escalable para diseñar robots livianos y adaptables sin precedentes". La investigación se publicó en Science Advances.
El reticulado programable del equipo se puede imprimir utilizando dos tipos principales de células (con geometrías distintas): células cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) y células X-cube. Cada tipo, cuando se usa para imprimir en 3D "tejidos" robóticos, genera un reticulado con diferentes propiedades de rigidez, deformación y resistencia a la carga. El laboratorio CREATE también permite imprimir reticulados compuestos por células híbridas, con formas intermedias entre BCC y X-cube. Benhui Dai, estudiante de doctorado, explica: "Este enfoque permite una fusión espacial continua de la distribución de rigidez, permitiendo un rango infinito de unidades híbridas, lo que es especialmente adecuado para replicar la estructura de órganos musculares como la trompa de un elefante".
Además de ajustar la forma de las células, los científicos pueden programar su posición dentro del reticulado, rotándolas y trasladándolas a lo largo de sus ejes. Las células incluso pueden superponerse para formar nuevas combinaciones, dotando al reticulado final de un espectro más amplio de propiedades mecánicas. Un cubo reticular que contiene cuatro células superpuestas puede generar alrededor de 4 millones de configuraciones posibles; con cinco células, supera los 75 millones. Para el modelo de elefante, esta capacidad de doble programación permitió fabricar varios tipos de tejidos con rangos de movimiento únicos, incluyendo articulaciones planas deslizantes, articulaciones uniaxiales de flexión y articulaciones biaxiales de flexión bidireccional. El equipo también pudo replicar los movimientos complejos del torso muscular del elefante manteniendo transiciones suaves y continuas.
La Prof. Hughes señala que, además de modificar el material espumoso o incorporar nuevas formas de células, la estructura única de la tecnología de reticulado espumoso ofrece muchas posibilidades para futuras investigaciones en robótica. "Al igual que un panal, la relación resistencia-peso del reticulado puede ser muy alta, permitiendo fabricar robots extremadamente ligeros y eficientes. La estructura espumosa abierta es adecuada para moverse en fluidos y también puede incorporar otros materiales (como sensores) dentro de la estructura, mejorando aún más la inteligencia de la espuma".
