Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice ha logrado desarrollar un brazo robótico suave capaz de realizar tareas complejas como sortear obstáculos o golpear una pelota. Este sistema es guiado y alimentado remotamente por láseres, eliminando la necesidad de componentes electrónicos o cableado en el dispositivo. Esta investigación podría revolucionar el control de dispositivos quirúrgicos implantables o de máquinas industriales que requieren manipulación cuidadosa.
El estudio y su metodología
En un estudio de prueba de concepto que combina materiales inteligentes, aprendizaje automático y un sistema de control óptico, los investigadores liderados por el científico de materiales Hanyu Zhu utilizaron un dispositivo de patrones de luz para inducir con precisión el movimiento en un brazo robótico hecho de elastómero de cristal líquido de azobenceno. Este polímero reacciona de manera efectiva a la luz.
De acuerdo con el estudio publicado en Advanced Intelligent Systems, el nuevo sistema robótico incorpora una red neuronal entrenada para predecir el patrón de luz exacto necesario para generar movimientos específicos del brazo. Esto facilita que el robot ejecute tareas complejas sin requerir entradas igualmente complejas de un operador, lo que significa que el control se vuelve más accesible y eficiente.
Características del brazo robótico
Elizabeth Blackert, quien es autora principal del estudio, señala que esta es la primera demostración de control automatizado en tiempo real y reconfigurable sobre un material sensible a la luz para un brazo robótico suave. A diferencia de los robots convencionales, que suelen tener estructuras rígidas y elementos móviles limitados, los robots suaves han abierto nuevas oportunidades en ámbitos como la medicina, donde se necesita interactuar de manera segura con objetos delicados.
Los denominados robots de continuo, que son un tipo de robot suave, eliminan las limitaciones de movilidad, lo que permite un movimiento adaptativo con un rango de acción enormemente ampliado. Sin embargo, uno de los principales desafíos en el uso de materiales suaves para la robótica ha sido que suelen estar conectados o tienen funcionalidades muy simples y predefinidas.
Innovaciones en el material utilizado
El equipo desarrolló una nueva variante de un elastómero que se contrae bajo luz láser azul y luego se relaja y regenera en la oscuridad. Este tiempo de relajación rápida es lo que permite el control en tiempo real. A diferencia de otros materiales sensibles a la luz que requieren luz ultravioleta dañina o tardan minutos en reiniciarse, este nuevo material funciona con longitudes de onda más seguras y responde en segundos.
Cuando se ilumina un lado del material, la contracción provoca que este se curve en esa dirección, similar a cómo un tallo de flor se inclina hacia la luz solar. Para controlar el material, los investigadores utilizaron un modulador espacial de luz que divide un solo rayo láser en múltiples haces, cada uno dirigido a diferentes partes del brazo robótico. Estos haces pueden ser encendidos o apagados y ajustados en intensidad, permitiendo que el brazo se doble o se contraiga en cualquier punto, como los tentáculos de un pulpo.
Capacidades futuras y aplicaciones
La técnica utilizada puede, en principio, crear un robot con grados de libertad prácticamente infinitos, superando ampliamente las capacidades de los robots tradicionales con juntas fijas. Rafael Verduzco, profesor y presidente asociado de ingeniería química y biomolecular, destaca que lo innovador aquí es el uso del patrón de luz para lograr cambios complejos en la forma del material. Anteriormente, los materiales eran programados para cambiar de forma de una manera específica, pero en este caso, el material puede cambiar de múltiples maneras según el patrón del haz láser.
Para entrenar un brazo de múltiples parámetros, el equipo realizó una pequeña serie de combinaciones de configuraciones de luz y registró cómo se deformaba el brazo robótico en cada caso, utilizando esos datos para entrenar una red neuronal convolucional, un tipo de inteligencia artificial utilizada en el reconocimiento de imágenes. El modelo pudo luego generar el patrón de luz exacto necesario para crear una forma deseada, como un movimiento de flexión o de alcance.
El prototipo actual es plano y se mueve en 2D, pero versiones futuras podrían doblarse en tres dimensiones con sensores y cámaras adicionales, lo que ampliaría aún más su funcionalidad.
Este avance representa un paso hacia la creación de robótica más segura y capaz para diversas aplicaciones, que van desde dispositivos biomédicos implantables hasta robots industriales que manejan productos delicados.