Los ciempiés son conocidos por su andar ondulado. Con decenas a cientos de patas, pueden atravesar cualquier terreno sin detenerse.
«Cuando ves un ciempiés corriendo, básicamente estás viendo un animal que habita en un mundo que es muy diferente a nuestro mundo de movimiento», dijo Daniel Goldman, profesor de la familia Dunn en la Escuela de Física. «Nuestro movimiento está dominado en gran medida por la inercia. Si balanceo la pierna, aterrizo sobre el pie y me muevo hacia adelante. Pero en el mundo de los ciempiés, si dejan de mover las partes del cuerpo y las extremidades, básicamente dejan de moverse al instante».
Intrigados por ver si las muchas extremidades podrían ser útiles para la locomoción en este mundo, un equipo de físicos, ingenieros y matemáticos del Instituto de Tecnología de Georgia están utilizando este estilo de movimiento para su beneficio. Desarrollaron una nueva teoría de locomoción de múltiples patas y crearon modelos robóticos de muchas patas, descubriendo que el robot con patas redundantes podía moverse a través de superficies irregulares sin ninguna tecnología adicional de detección o control como predecía la teoría.
Estos robots pueden moverse sobre terrenos complejos y accidentados, y existe la posibilidad de usarlos para la agricultura, la exploración espacial e incluso para la búsqueda y el rescate.
Los investigadores presentaron su trabajo en los documentos «Transporte de materia de múltiples patas: un marco para la locomoción en paisajes ruidosos», en Ciencia en mayo y «Self-Propulsion via Slipping: Frictional Swimming in Multilegged Locomotors», en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias en marzo.
Una pierna arriba
Para el Ciencia En este artículo, los investigadores se sintieron motivados por la teoría de la comunicación del matemático Claude Shannon, que demuestra cómo transmitir señales de manera confiable a distancia, para comprender por qué un robot de múltiples patas fue tan exitoso en la locomoción. La teoría de la comunicación sugiere que una forma de garantizar que un mensaje llegue del punto A al punto B en una línea ruidosa no es enviarlo como una señal analógica, sino dividirlo en unidades digitales discretas y repetir estas unidades con un código apropiado. .
«Esta teoría nos inspiró y tratamos de ver si la redundancia podría ser útil en el transporte de materia», dijo Baxi Chong, investigador postdoctoral en física. «Entonces, comenzamos este proyecto para ver qué pasaría si tuviéramos más patas en el robot: cuatro, seis, ocho patas e incluso 16 patas».
Un equipo dirigido por Chong, incluido el becario postdoctoral de la Escuela de Matemáticas Daniel Irvine y el profesor Greg Blekherman, desarrolló una teoría que propone que agregar pares de patas al robot aumenta su capacidad para moverse con fuerza sobre superficies desafiantes, un concepto que llaman redundancia espacial. Esta redundancia hace que las piernas del robot funcionen por sí solas sin necesidad de sensores para interpretar el entorno. Si una pierna falla, la abundancia de piernas la mantiene en movimiento a pesar de todo. En efecto, el robot se convierte en un sistema confiable para transportarse a sí mismo e incluso una carga de A a B en paisajes difíciles o «ruidosos». El concepto es comparable a cómo se puede garantizar la puntualidad en el transporte sobre ruedas si la vía o el riel son lo suficientemente suaves pero sin tener que diseñar el entorno para crear esta puntualidad.
«Con un robot bípedo avanzado, normalmente se requieren muchos sensores para controlarlo en tiempo real», dijo Chong. «Pero en aplicaciones como búsqueda y rescate, exploración de Marte o incluso micro robots, existe la necesidad de conducir un robot con detección limitada. Hay muchas razones para tal iniciativa sin sensores. Los sensores pueden ser costosos y frágiles, o los entornos pueden cambiar tan rápido que no permite suficiente tiempo de respuesta del sensor-controlador».
Para probar esto, Juntao He, Ph.D. estudiante de robótica, realizó una serie de experimentos en los que él y Daniel Soto, estudiante de maestría en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, construyeron terrenos para imitar un entorno natural inconsistente. Luego probó el robot aumentando su número de patas en dos cada vez, comenzando con seis y eventualmente expandiéndose a 16. A medida que aumentaba el número de patas, el robot podía moverse más ágilmente por el terreno, incluso sin sensores.[PGR1] , como predecía la teoría. Eventualmente, probaron el robot al aire libre en un terreno real, donde pudo moverse en una variedad de entornos.
«Es realmente impresionante presenciar la habilidad del robot de múltiples patas para navegar tanto en terrenos de laboratorio como en entornos al aire libre», dijo Juntao. «Mientras que los robots bípedos y cuadrúpedos dependen en gran medida de sensores para atravesar terrenos complejos, nuestro robot de patas múltiples utiliza la redundancia de patas y puede realizar tareas similares con control de bucle abierto».
Próximos pasos
Los investigadores ya están aplicando sus descubrimientos a la agricultura. Goldman cofundó una empresa que aspira a usar estos robots para desyerbar tierras de cultivo donde los herbicidas no son efectivos.
«Son como un Roomba pero afuera para terrenos complejos», dijo Goldman. «Un Roomba funciona porque tiene ruedas que funcionan bien en terreno llano. Hasta el desarrollo de nuestro marco, no podíamos predecir con confianza la confiabilidad del aparato locomotor en terreno accidentado, rocoso y lleno de escombros. Ahora tenemos los comienzos de tal esquema, que podría usarse para garantizar que nuestros robots atraviesen un campo de cultivo en un cierto período de tiempo».
Los investigadores también quieren refinar el robot. Saben por qué el marco del robot ciempiés es funcional, pero ahora están determinando la cantidad óptima de patas para lograr el movimiento sin detección de una manera que sea rentable y aún así conserve los beneficios.
«En este documento, preguntamos: ‘¿Cómo se predice el número mínimo de patas para lograr tales tareas?'», dijo Chong. «Actualmente, solo probamos que existe el número mínimo, pero no sabemos el número exacto de patas necesarias. Además, necesitamos comprender mejor el equilibrio entre energía, velocidad, potencia y robustez en un sistema tan complejo».
