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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Francis en ¡Eureka!: Robots biomiméticos de Boston Dynamics

Dibujo20130331 boston dynamics

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

¡Qué inventos! Cómo besar a tu pareja vía internet

Un pequeño robot capaz de besar te permitirá transmitir besos a tu pareja a través de internet. El vídeo no requiere más palabras. El robot transmisor de besos ha sido inventado por Hooman Samani (National University of Singapore). La verdad es que no paro de sorprenderme con la imaginación de algunos investigadores. Samani también ha desarrollado robots peluche para dar caricias (ver el vídeo de más abajo). El artículo técnico es H. A. Samani, A. D. Cheok, N. Fernando, “An Affective Interactive Audio Interface for Lovotics,” In ACM Computers in Entertainment, CIE, Volume 9, July 2011; también hay que leer H. A. Samani, A. D. Cheok, “From Human-Robot Relationship to Robot-Based Leadership,” In 2011 IEEE International Conference on Human System Interaction, HSI 2011.

PS: Marcos F Marx (@Gryphus) nos recomienda este otro vídeo con otro invento para transmitir besos a través de internet (este invento me gusta menos).

La comunicación por ultrasonidos de nanobots médicos

Un problema que siempre se olvida cuando uno piensa en nanobots médicos es cómo se pueden comunicar entre sí y con el exterior con objeto de cumplir su objetivo biomédico. Un nuevo artículo en ArXiv evalúa la viabilidad del uso de ultrasonidos in vivo y cómo afectan a éstos los diferentes tipos de tejidos del cuerpo humano. Para la comunicación en distancia de unos 100 micrómetros, los autores recomiendan el uso de ultrasonidos con frecuencias entre 10 MHz y 300 MHz; el torrente sanguíneo sería capaz de soportar un ancho de banda de hasta 10000 baudios (bits/s) si los robots tienen un tamaño de como mucho unas micras. Los autores del estudio afirman que la presión acústica no dañará los tejidos cercanos (aunque su estudio es muy simplificado y habrá que estudiar esto con más cuidado en el futuro). Además, los autores han considerado las potencias acústicas que en pulsos cortos podrían tener uso terapéutico (p.ej. en la eliminación de cálculos renales). Me ha gustado este  artículo que incluye matemáticas, métodos numéricos, acústica, biología, medicina y robótica, ¡qué más se puede pedir a un artículo! Tad Hogg, Robert A. Freitas Jr, “Acoustic Communication for Medical Nanorobots,” ArXiv, 2 Feb 2012.

El control caótico y los cerebros minimales de los insectos

Incluso un animal tan simple como una cucaracha es capaz de responder de forma compleja a los cambios de su entorno. Los ingenieros están desarrollando robots capaces de imitar esta capacidad gracias a las técnicas de control basadas en la matemática del caos determinista. El control caótico permite que redes de neuronas artificiales muy rudimentarias produzcan comportamientos autoorganizados muy complejos como respuesta a cambios en el entorno. En el vídeo de arriba se muestra como un robot hexápodo que utiliza este tipo de control es capaz de superar con éxito obstáculos complicados, como un agujero en el que una de sus patas no encuentra apoyo posible. El control caótico utilizado se basa en una bucle de control realimentado con un retraso temporal (se representa en la figura con un atractor extraño en tres dimensiones). La diferencia entre el valor de la señal de salida y(t) y su valor retrasado es realimentado como señal de control u(t) cuya magnitud es controlada por el valor de K. Este control permite suprimir el caos del sistema y estabilizar su comportamiento en un ciclo periódico como el necesario para lograr el movimiento pendular de una pata de un robot. Cuando el hexápodo encuentra un obstáculo en su camino, como cuando una de sus patas encuentra un agujero, el circuito neural caótico genera un patrón de búsqueda onmidireccional que permite identificar la estrategia que permite superar el obstáculo. Nos lo contó el especialista Eckehard Schöll, “Neural control: Chaos control sets the pace,” Nature Physics 6: 161-162, 2010, haciéndose eco del artículo de Silke Steingrube, Marc Timme, Florentin Wörgötter, Poramate Manoonpong, “Self-organized adaptation of a simple neural circuit enables complex robot behaviour,” Nature Physics 6, 224-230, 17 January 2010. Merece la pena ver los 6 vídeos que aparecen en la Información Suplementaria del artículo (entre 10 y 24 Mb cada uno). Los interesados en detalles sobre el control caótico neural utilizado tienen los detalles en la información suplementaria. Merece la pena visitar la página web de Poramate Manoonpong, quien no sólo ha desarrollado robots hexápodos, también ha desarrollado bípedos, cuadrúpedos, y octópodos.

Robot hexápodo AMOS-WD06, cuyas patas imitan la biomecánica de las patas de las cucarachas (derecha) y el control realimentado caótico con retraso de cada una de sus patas (izquierda). (C) Nature.

PS (18 mayo 2011): Un vídeo youtube con más información sobre este hexápodo y el artículo gratis en ArXiv.