Nuevos músculos artificiales: robots más ligeros, seguros y robustos

Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado recientemente músculos artificiales para el movimiento de robots, pero su solución ofrece varias ventajas sobre las tecnologías vistas anteriormente.
Merece la pena seguir estudiándolo, y puede utilizarse en todos los casos en los que los robots deban ser blandos en lugar de rígidos o más sensibles a la hora de interactuar con el entorno.
Muchos expertos en robótica sueñan con construir robots que no sean sólo una combinación de metal u otros materiales duros y motores, sino también más suaves y adaptables.
Los autómatas “blandos” podrían interactuar con el entorno de una manera completamente diferente; por ejemplo, podrían amortiguar los golpes como lo hacen las extremidades humanas o agarrar un objeto con delicadeza.
Esto también ofrecería ventajas en cuanto al consumo de energía: hoy en día el movimiento de los robots suele requerir mucha energía para mantener una posición durante mucho tiempo, mientras que los sistemas blandos podrían almacenarla mejor.
Entonces, ¿qué podría ser más obvio que tomar el músculo humano como modelo e intentar recrearlo?

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Cada músculo natural también se contrae en respuesta a un impulso eléctrico suficiente.

El funcionamiento de los músculos artificiales se basa necesariamente en la biología.
Al igual que sus homólogos naturales, los músculos artificiales se contraen en respuesta a un impulso eléctrico.
Sin embargo, los músculos artificiales no están formados por células y fibras, sino por un saco lleno de un líquido (normalmente aceite), cuya carcasa está parcialmente cubierta con electrodos.
Cuando estos electrodos reciben un voltaje eléctrico, se juntan y empujan el líquido hacia el resto del saco, que se flexiona y por tanto es capaz de levantar un peso.
Un saco único es análogo a un haz corto de fibras musculares.
Varias de estas bolsas se pueden conectar entre sí para formar un elemento de propulsión completo, también llamado actuador o, más simplemente, músculo artificial.

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Originalmente, los actuadores electrostáticos requerían un voltaje de 6.000 a 10.000 voltios.

La idea de desarrollar músculos artificiales no es nueva, pero hasta ahora había un gran obstáculo para su realización: los actuadores electrostáticos sólo funcionaban con voltajes extremadamente altos, entre 6.000 y 10.000 voltios.
Este requisito tuvo varias consecuencias: por ejemplo, los músculos debían estar conectados a amplificadores de voltaje grandes y pesados, no funcionaban en el agua y no eran del todo seguros para los humanos.
Una nueva solución ha sido desarrollada por Robert Katzschmann, profesor de robótica en la ETH Zurich, junto con Stephan-Daniel Gravert, Elia Varini y otros colegas.
En un artículo del sitio web de información “Science Advances” publicaron un artículo sobre su versión de un músculo artificial, que en realidad ofrece varias ventajas.
Stephan-Daniel Gravert, que trabaja como asistente científico en el laboratorio de Robert Katzschmann, diseñó una nueva carcasa para la bolsa.

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¿La solución para el futuro? Hoy proviene de material ferroeléctrico de alta permeabilidad.

Los investigadores llaman a los nuevos músculos artificiales actuadores HALVE, donde HALVE significa "electrostático de bajo voltaje amplificado hidráulicamente".
“En otros actuadores, los electrodos se encuentran en el exterior de la carcasa. En el nuestro, el caparazón se compone de varias capas. Tomamos un material ferroeléctrico con alta permeabilidad, es decir, capaz de almacenar cantidades relativamente grandes de energía eléctrica, y lo combinamos con una capa de electrodos. Luego cubrimos todo con una capa de polímero que tiene excelentes propiedades mecánicas y hace que la bolsa sea más estable”., el explica.
De esta manera, los investigadores pudieron reducir el voltaje requerido, porque la permitividad mucho mayor del material ferroeléctrico permite alcanzar grandes fuerzas a pesar del bajo voltaje.
Stephan-Daniel Gravert y Elia Varini no solo desarrollaron juntos la carcasa de los actuadores HALVE, sino que también construyeron los actuadores en el laboratorio para su uso en dos robots específicos.

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Las “pinzas” y los “peces” técnicos muestran lo que puede hacer el músculo diseñado en Suiza

Un ejemplo de robot es una pinza de 11 centímetros de alto y dos dedos.
Cada dedo se mueve mediante tres cavidades conectadas en serie del actuador HALVE.
Una pequeña fuente de alimentación por batería suministra al robot 900 voltios.
Juntas, la batería y la fuente de alimentación pesan sólo 15 gramos.
Toda la pinza, incluida la electrónica de potencia y control, pesa 45.
La pinza puede agarrar un objeto de plástico liso con fuerza suficiente para soportar su propio peso cuando el objeto se levanta en el aire con una cuerda.
“Este ejemplo demuestra de forma excelente lo pequeños, ligeros y eficientes que son los actuadores HALVE. También significa que hemos dado un gran paso hacia nuestro objetivo de crear sistemas integrados impulsados ​​por los músculos"., afirma Katzschmann con satisfacción.
El segundo objeto es un nadador parecido a un pez, de casi 30 centímetros de largo, capaz de moverse fácilmente en el agua.
Consta de un "cabezal" que contiene la electrónica y un "cuerpo" flexible, al que se unen los actuadores "Electrostáticos de Bajo Voltaje Amplificados Hidráulicamente".
Estos actuadores se mueven alternativamente a un ritmo que produce el típico movimiento de natación.
El pez autónomo puede pasar de un estado de estasis a una velocidad de tres centímetros por segundo en 14 segundos, y todo ello sumergido en agua corriente del grifo.

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Los nuevos actuadores son mucho más robustos que otros músculos artificiales además de resistentes al agua

Este segundo ejemplo es importante porque demuestra otra característica nueva de los actuadores HALVE.
Dado que los electrodos ya no están protegidos fuera de la carcasa, los músculos artificiales ahora son impermeables y pueden usarse incluso sumergidos en líquidos conductores.
“El pez ilustra una ventaja general de estos actuadores: los electrodos están protegidos del ambiente externo y, viceversa, el ambiente está protegido por los electrodos. Entonces, puedes usar estos actuadores electrostáticos en agua o tocarlos, por ejemplo”., añade el profesor del Instituto Federal Tecnológico de Zúrich.
La estructura en capas de las envolturas tiene además otra ventaja: los nuevos actuadores son mucho más robustos que otros músculos artificiales.
Idealmente, los sobres deberían poder realizar una gran cantidad de movimientos y hacerlo rápidamente.
Sin embargo, incluso el más mínimo error de fabricación, como una mota de polvo entre los electrodos, puede provocar un fallo eléctrico, una especie de “mini rayo”.

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Problemas de “minirrelámpagos” resueltos, empresas listas para la producción a gran escala

“Cuando esto sucedió en modelos anteriores, el electrodo se quemó, creando un agujero en la carcasa. Esto permitió que el líquido se escapara e inutilizó el actuador”., explica Stephan-Daniel Gravert.
Este problema se ha resuelto en los actuadores HALVE porque un solo orificio esencialmente se cierra solo, gracias a la capa protectora exterior de plástico.
Como resultado, la carcasa sigue siendo totalmente funcional incluso después de un fallo eléctrico.
Los dos investigadores están claramente contentos de haber logrado un avance decisivo en el desarrollo de músculos artificiales, pero también son realistas.
Como dice Robert Katzschmann, “Ahora tenemos que preparar esta tecnología para la producción a gran escala y eso no podemos hacerlo aquí en el laboratorio de ETH. Sin hacer demasiadas revelaciones, puedo decir que ya estamos registrando interés por parte de empresas que quisieran trabajar con nosotros."
Por ejemplo, algún día los músculos artificiales podrían usarse en nuevos robots, prótesis o dispositivos portátiles.
En otras palabras, en tecnologías para uso en y sobre el cuerpo humano…

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