Los investigadores han diseñado una mano robótica de bajo costo y eficiencia energética que puede agarrar una variedad de objetos, y no dejarlos caer, usando solo el movimiento de su muñeca y la sensación en su «piel».
Agarrar objetos de diferentes tamaños, formas y texturas es un problema fácil para un humano, pero desafiante para un robot. Investigadores de la Universidad de Cambridge diseñaron una mano robótica suave impresa en 3D que no puede mover sus dedos de forma independiente, pero aún puede realizar una variedad de movimientos complejos.
La mano del robot fue entrenada para agarrar diferentes objetos y fue capaz de predecir si los dejaría caer utilizando la información proporcionada por los sensores colocados en su «piel».
Este tipo de movimiento pasivo hace que el robot sea mucho más fácil de controlar y mucho más eficiente energéticamente que los robots con dedos totalmente motorizados. Los investigadores dicen que su diseño adaptable podría usarse en el desarrollo de robótica de bajo costo que sea capaz de un movimiento más natural y pueda aprender a agarrar una amplia gama de objetos. Los resultados se publican en la revista Sistemas Inteligentes Avanzados.
En el mundo natural, el movimiento resulta de la interacción entre el cerebro y el cuerpo: esto permite que las personas y los animales se muevan de formas complejas sin gastar cantidades innecesarias de energía. En los últimos años, los componentes blandos han comenzado a integrarse en el diseño de la robótica gracias a los avances en las técnicas de impresión 3D, que han permitido a los investigadores agregar complejidad a sistemas simples y energéticamente eficientes.
La mano humana es muy compleja, y recrear toda su destreza y adaptabilidad en un robot es un enorme desafío de investigación. La mayoría de los robots avanzados de hoy en día no son capaces de manipular tareas que los niños pequeños pueden realizar con facilidad. Por ejemplo, los humanos saben instintivamente cuánta fuerza deben usar al levantar un huevo, pero para un robot esto es un desafío: demasiada fuerza y el huevo podría romperse; demasiado poco, y el robot podría dejarlo caer. Además, una mano robótica totalmente accionada, con motores para cada articulación de cada dedo, requiere una cantidad significativa de energía.
En el Laboratorio de Robótica Bioinspirada del profesor Fumiya Iida en el Departamento de Ingeniería de Cambridge, los investigadores han estado desarrollando soluciones potenciales para ambos problemas: una mano robótica que puede agarrar una variedad de objetos con la cantidad correcta de presión mientras usa una cantidad mínima de energía.
«En experimentos anteriores, nuestro laboratorio demostró que es posible obtener un rango significativo de movimiento en la mano de un robot simplemente moviendo la muñeca», dijo el coautor, el Dr. Thomas George-Thuruthel, que ahora trabaja en el University College London (UCL ) Este. «Queríamos ver si una mano robótica basada en el movimiento pasivo no solo podía agarrar objetos, sino que también podía predecir si iba a dejar caer los objetos o no, y adaptarse en consecuencia».
Los investigadores utilizaron una mano antropomórfica impresa en 3D implantada con sensores táctiles, de modo que la mano pudiera sentir lo que estaba tocando. La mano solo era capaz de un movimiento pasivo basado en la muñeca.
El equipo llevó a cabo más de 1200 pruebas con la mano del robot y observó su capacidad para agarrar objetos pequeños sin dejarlos caer. El robot se entrenó inicialmente con pequeñas bolas de plástico impresas en 3D y las agarró mediante una acción predefinida obtenida a través de demostraciones humanas.
«Este tipo de mano tiene un poco de elasticidad: puede levantar cosas por sí misma sin ningún tipo de actuación de los dedos», dijo el primer autor, el Dr. Kieran Gilday, que ahora trabaja en la EPFL en Lausana, Suiza. «Los sensores táctiles le dan al robot una idea de qué tan bien va el agarre, por lo que sabe cuándo comienza a resbalar. Esto lo ayuda a predecir cuándo fallarán las cosas».
El robot usó prueba y error para aprender qué tipo de agarre sería exitoso. Después de terminar el entrenamiento con las pelotas, intentó agarrar diferentes objetos, incluido un melocotón, un mouse de computadora y un rollo de plástico de burbujas. En estas pruebas, la mano pudo agarrar con éxito 11 de 14 objetos.
«Los sensores, que son como la piel del robot, miden la presión que se aplica al objeto», dijo George-Thuruthel. «No podemos decir exactamente qué información está obteniendo el robot, pero teóricamente puede estimar dónde se ha agarrado el objeto y con cuánta fuerza».
«El robot aprende que una combinación de un movimiento particular y un conjunto particular de datos del sensor provocará fallas, lo que lo convierte en una solución personalizable», dijo Gilday. «La mano es muy simple, pero puede recoger muchos objetos con la misma estrategia».
«La gran ventaja de este diseño es el rango de movimiento que podemos obtener sin usar actuadores», dijo Iida. “Queremos simplificar la mano tanto como sea posible. Podemos obtener mucha buena información y un alto grado de control sin actuadores, de modo que cuando los agreguemos, obtendremos un comportamiento más complejo en un paquete más eficiente. «
Una mano robótica completamente accionada, además de la cantidad de energía que requiere, también es un problema de control complejo. El diseño pasivo de la mano diseñada por Cambridge, que utiliza una pequeña cantidad de sensores, es más fácil de controlar, proporciona una amplia gama de movimientos y agiliza el proceso de aprendizaje.
En el futuro, el sistema podría expandirse de varias maneras, como agregar capacidades de visión por computadora o enseñar al robot a explotar su entorno, lo que le permitiría agarrar una gama más amplia de objetos.
Este trabajo fue financiado por Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) y Arm Ltd. Fumiya Iida es miembro del Corpus Christi College, Cambridge.
