Picorrobots inspirados en el vuelo de las moscas

Por cierto, ¿cómo vuela una mosca? Parece una tontería pero fabricar un robot capaz de volar como una mosca no es fácil. El sistema nervioso de la mosca es muy sencillo, pero suficiente para que este insecto volador realice complejas hazañas aerodinámicas más allá de lo que la técnica actual permite. Los (pico)robots aéreos que imiten a las moscas tendrán infinidad de aplicaciones (si son baratos de fabricar y a nadie le moleste que la mayoría acaben en el cubo de la basura). Se publica en Science esta semana un artículo que propone un nuevo diseño de “mosca robótica” capaz de batir sus alas a una frecuencia de 120 Hz gracias a un sistema MEMS (microelectromecánico) basados ​​en silicio. Los autores le llaman a la nueva técnica “microestructuras compuestas inteligentes” (SCM). Gracias a esta técnica se pueden fabricar insectos mecánicos con tamaños micrométricos que se pueden fabricar en masa y cuyo montaje es sencillo. Aún no se ha resuelto el problema de la alimentación energética y del “cerebro” artificial de estos insectos robóticos, por lo que tienen que volar conectados a un cable de alimentación y control, pero se espera que en menos de una década se hayan resuelto estos problemas. Realmente es sorprendente imaginar un mundo con millones de insectos mecánicos fabricados por el hombre. El artículo técnico es Kevin Y. Ma, Pakpong Chirarattananon, Sawyer B. Fuller, Robert J. Wood, “Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot,” Science 340: 603-607, 3 May 2013 [sciencemag.org].

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Una cámara que imita al ojo de los insectos

Dibujo20130506 insect-inspired visual sensor

Ver el mundo a través de los ojos de un insecto puede parecer poco útil, pues nuestros ojos son mucho más sofisticados. Sin embargo, una cámara digital que imite el ojo compuesto de un insecto, su visión panorámica del mundo y su gran profundidad de campo podría tener aplicaciones interesantes en robótica y medicina. Nuestros ojos se basan en una lente que en enfoca la luz en una matriz de fotorreceptores colocada en el plano focal de la lente, lo que permite una sensibilidad óptima a los fotones y una alta resolución espacial. Los ojos facetados o compuestos se componen de cientos o miles de unidades ópticas (facetas), cada una con su propia lente y conjunto de fotorreceptores. Su sensibilidad a la luz es baja (sólo aceptan fotones en ciertas direcciones) y su resolución también (está limitada por el número de facetas). John A. Rogers (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EEUU) y sus colegas han fabricado una cámara digital elástica capaz de pasar de una geometría plana a una forma casi hemisférica (160 grados), gracias a un diseño que combina una matriz de 180 microlentes elásticas con una matriz de fotodetectores deformable. La clave es un diseño basado en dos capas alineadas de forma perfecta (para evitar aberraciones ópticas). Estos nuevos “ojos” son ideales para pequeños robots voladores, en los que las lentes de tipo ojo de pez son caras y pesadas. Nos lo cuentan Alexander Borst, Johannes Plett, “Optical devices: Seeing the world through an insect’s eyes,” Nature 497: 47-48, 02 May 2013. El artículo técnico es Young Min Song et al., “Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye,” Nature 497: 95–99, 02 May 2013.

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Francis en ¡Eureka!: Robots biomiméticos de Boston Dynamics

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El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, ya está disponible. Si te apetece escucharlo, sigue este enlace. Como siempre, una transcripción libre del audio.

Los militares necesitan robots capaces de moverse en un campo de batalla por un terreno con todo tipo de accidentes (arena, rocas, fango, nieve, etc). Los proyectos DARPA son los mayores impulsores de la robótica móvil¿Cómo se logra desarrollar este tipo de robots todo terreno? Los robots todo terreno son un gran reto para los ingenieros. Para diseñar estos robots se suele imitar el comportamiento de animales, es decir, se usa la  biomimética. La selección natural durante cientos de millones de años ha permitido que muchos animales evolucionen hasta adquirir sistemas de locomoción realmente sorprendentes y muy eficientes en consumo energético. Muchos ingenieros especialistas en robótica se inspiran o tratan de imitar estos sistemas de locomoción en sus proyectos. Siempre, el primer paso es estudiar la biomecánica del movimiento del animal, desvelar sus secretos para poderlos incorporar al diseño del robot. Hoy vamos a hablar de los robots biomiméticos de la compañía Boston Dynamics, fundada por el ingeniero Marc Raibert del Instituto Técnico de Georgia (el Georgia Tech) situado en Atlanta (EEUU), que recientemente ha sido noticia por la publicación en la prestigiosa revista Science de su último robot.

Lograr que un robot camine por la arena del desierto no es fácil. Muchos oyentes recordarán lo que le pasó a Spirit, el rover marciano de la NASA, que quedó atrapado en la arena de Marte en mayo de 2009. Spirit tenía seis ruedas todo terreno pero no pudo escapar. El nuevo robot de la compañía Boston Dynamics hubiera podido escapar de la arena por que no utiliza ruedas sino patas. Se llama RHex y es un hexápodo. Cada una de sus seis patas imita el movimiento de las patas del lagarto de cola de cebra (Callisaurus draconoides), un lagarto que se mueve a gran velocidad sobre la arena del desierto sin hundirse. El movimiento de las patas de este lagarto es parecido a las brazadas de un nadador en el agua de una piscina, casi es como si el lagarto “nadara sobre la arena”. Los investigadores han estudiado en detalle las fuerzas que ejercen las patas sobre los granos de arena y las han utilizado para diseñar la forma y el algoritmo de control de cada pata del robot. RHex es un pequeño robot de 13 centímetros y 150 gramos, pero es capaz de moverse a 2,5 kilómetros por hora sobre arena. Si el rover Spirit hubiera tenido un diseño similar hubiera podido escapar de la trampa de arena marciana sin problemas.

Más información en “El ‘sprint’ de los lagartos inspira un robot para conquistar mundos arenosos,” esmateria.com, 22 Mar 2013, que incluye el siguiente vídeo.

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Un robot biomimético que corre sobre la arena imitando al lagarto de cola de cebra

Un robot articulado con patas capaz de moverse por medios granulares o que no sean rígidos, como arena, gravilla, escombros, lodo, nieve, hierba u hojarasca, puede ser diseñado utilizando la biomimética. El lagarto de cola de cebra (Callisaurus draconoides) se mueve a gran velocidad sobre la arena del desierto y ha inspirado el robot RHex (mostrado en el vídeo de youtube). Cada pata de RHex se ha diseñado para imitar la interacción con la arena de las patas de este lagarto, lo que ha requerido el desarrollo de un modelo matemático específico para este animal. Los autores del artículo llaman terramecánica al campo de la ingeniería que estudia la locomoción robótica en medios granulares. Chen Li, Tingnan Zhang, Daniel I. Goldman, “A Terradynamics of Legged Locomotion on Granular Media,” Science 339: 1408-1412, 22 Mar 2013. Más información divulgativa en Melany L. Hunt, “Robotic Walking in the Real World,” Science 339: 1389-1390, 22 Mar 2013.

Dibujo20130321 Terradynamics of Legged Locomotion on Granular Media

Otro vídeo de Boston Dynamics, que muestra a RHex en acción en un entorno real.

XIV Carnaval Biología: Cheetah, el robot guepardo de Boston Dynamics capaz de correr casi a 30 km/h

Espectacular. La compañía Boston Dynamics, fundada por el ingeniero Marc Raibert, ha desarrollado un robot con cuatro patas que logra correr casi a 30 kilómetros por hora (alcanza 18 millas por hora). El objetivo de la compañía es mejorar el robot Cheetah hasta alcanzar los 80 kilómetros por hora (lo que significa que no será tan rápido como un guepardo de verdad, que alcanza en sprint hasta los 120 kilómetros por hora). La clave de la velocidad del guepardo es el movimiento de la columna vertebral que contribuye a incrementar la longitud de la zancada. Raibert y su equipo han tratado de imitar este movimiento en su robot. El sistema de control del movimiento, capaz de ajustarse a los cambios de velocidad en la cinta transportadora, ha requerido un ajuste muy delicado para acoplar los movimientos de los patas y los de la “columna” del robot. Este blog tiene que hacerse eco de este resultado porque la compañía Boston Dynamics ya desarrolló una mula de carga para el ejército, llamada BigDog. Todos estos proyectos están financiados por DARPA y por el ejército de EE.UU. Más información en Larry Greenemeier, “Running Robots: See Boston Dynamics’s Speedy Cheetah in Action,” Scientific American, July 9, 2012, y en Larry Greenemeier, “Robot Pack Mule to Carry Loads for G.I.s on the Move,” Scientific American, February 10, 2010.

Esta entrada es mi primera participación en el XIV Carnaval de Biología, organizado por el humilde (por fuera) y ególatra (por dentro) blog, BioTay. El tema elegido es “Comportamiento animal” y aunque esta entrada habla del comportamiento (más bien la respuesta) de robots, como son biomiméticos, creo que entra bastante bien en el carnaval. ¿Alguien más quiere participar? Solo tenéis hasta el 4 de julio para escribir una entrada y avisar de ello en Twitter @Biotay

I Carnaval de Biología: La biomecánica del pájaro carpintero permite diseñar microdispositivos que soportan 60.000 fuerzas G

Pájaro carpintero intentando agujerear un tubería de desigüe metálica. 

Un pájaro carpintero puede taladrar el tronco de un árbol hasta hacer un agujero golpeándolo a un ritmo entre 18 y 22 veces por segundo con una desaceleración de 1.200 g, cientos de veces mayor que la que experimenta un astronauta, y sin sufrir daño alguno en su cerebro (el estadounidense Eli L. Beeding Jr. ostenta desde 1958 el récord mundial al soportar 82’6 g durante 0’04 segundos; después se pasó tres días en un hospital). Un nuevo artículo de Yoon y Park, de la Universidad de California en Berkeley, se inspira en el secreto del pájaro carpintero para desarrollar un sistema de amortiguación de vibraciones para dispositivos microfabricados móviles. Una de las claves es el hueso esponjoso que rodea y protege el cráneo de este pájaro, pero no es la única. El nuevo sistema de amortiguación bioinspirado puede soportar hasta 60.000 g (comprobado con una escopeta de aire comprimido con un calibre de 60 mm). La biomecánica del pájaro carpintero se ha descubierto gracias a un estudio mediante tomografía computarizada de rayos X que ha conducido a un modelo biomecánico de la amortiguación de lass vibraciones en su cráneo. El artículo técnico, de acceso gratuito, es Sang-Hee Yoon, Sungmin Park, “A mechanical analysis of woodpecker drumming and its application to shock-absorbing systems,” Bioinspiration & Biomimetics 6: 016003, Published 17 enero 2011. Esta entrada es mi primera participación para el I Carnaval de Biología que alberga el blog Micro Gaia. Aunque el tema de esta edición son las bacterias, me he permitido la licencia de centrar mi entrada en los pájaros carpinteros, supongo que mi segunda entrada será bacteriana.

En el vídeo que abre esta entrada se observa a un carpintero de vientre rojo (Melanerpes carolinus) natural de América del Norte que golpea con insistencia un desagüe metálico, creyendo por error que se trata de un poste de madera. En la figura de arriba se muestra un detalle de la postura del animal durante un golpe rápido contra el desagüe (en el vídeo de youtube el carpintero alcanza hasta 20 golpes por segundo). Como se observa en la figura el carpintero hace palanca con su cuerpo y utiliza su cola para estabilizarse. Los autores del estudio han utilizado tomografía computarizada de rayos X para observar el cráneo del carpintero de frente dorada (Melanerpes aurifrons), pájaro natural de centroamérica y del sur de los EE.UU., como muestra la figura de abajo, que muestra el pico (beak), el hueso esponjoso (spongy bone), el hueso del cráneo (skull bone) y el hioide (hyoid).

Los autores del artículo han desarrollado un modelo biomecánico simplificado del sistema de amortiguación de golpes del pájaro carpintero. La figura de arriba muestra el modelo cinemático del golpe; un carpintero de frente dorada puede alcanzar los 28 golpes por segundo y es capaz de golpear un árbol repetidamente entre 500 y 600 veces al día. En la figura de abajo se muestra un modelo biomecánico de parámetros concentrados para el sistema de amortiguación del carpintero (un modelo simplificado basado en masas, muelles y amortiguadores). Para modelar las propiedades del hueso esponjoso han desarrollado un modelo experimental que hace vibrar un cilindro metálico relleno de microbolitas de cuarzo de diferentes diámetros (68, 120, 375, 500, y 875 μm); gracias a este modelo han descubierto que el hueso esponjoso actúa como un filtro paso bajo para las frecuencias de vibración con cierto factor de atenuación.

El mecanismo de amortiguación del pájaro carpintero sugiere que para mejorar la tolerancia a fuerzas G altas de dispositivos microfabricados hay que utilizar: (i) una capa externa de alta resistencia que proteja al microdispositivo de daños físicos (como deformaciones, fracturas, etc.), lo que en el pájaro carpintero es el pico; (ii) una capa viscoelástica que distribuya uniformemente las vibraciones mecánicas, lo que en el pájaro es como el hioides; (iii) una estructura porosa resiliente que filtre las altas frecuencias de vibración mecánica y evite su transmisión al microdispositivo, lo que en el carpintero es el hueso esponjoso; y (iv) otra capa de alta resistencia que contenga a la estructura porosa, como el hueso del cráneo en el pájaro. Gracias a estas ideas, Yoon y Park han desarrollado un sistema de absorción de impactos para microdispositivos biológicamente inspirado, que aparece en la figura de abajo.

Para demostrar que el nuevo sistema funciona han utilizado un rifle de aire comprimido con un calibre de 60 mm que permite acelerar los microdispositivos (recubiertos con su protección) hasta aceleraciones de 60.000 g. El sistema de protección, denominado BIRD-II, ha funcionado con una eficacia increíble. Sólo el 0’7% de los microdispositivos ha sufrido daños; con un sistema más convencional, también bioinspirado, llamado BIRD-I el número de microdispositivos que sufrieron daños fue del 26’4%.

En resumen, la ingeniería bioinspirado y/o biomimética no para de ofrecernos sorpresas, demostrando que la colaboración entre biólogos e ingenieros puede conducir a grandes avances tecnológicos.