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Los circuitos fluídicos agregan opciones analógicas para controlar robots blandos

17 de octubre de 2022

En un estudio publicado en línea esta semana, investigadores de robótica, ingenieros y científicos de materiales de la Universidad Rice y la Universidad de Harvard demostraron que es posible hacer circuitos programables no electrónicos que controlen las acciones de los robots blandos mediante el procesamiento de información codificada en ráfagas de aire comprimido.

«Parte de la belleza de este sistema es que realmente podemos reducir la computación a sus componentes básicos», dijo el estudiante de secundaria de Rice, Colter Decker, autor principal del estudio en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. Dijo que los sistemas de control electrónico se han perfeccionado y refinado durante décadas, y la recreación de circuitos informáticos «con análogos a la presión y el caudal en lugar de voltaje y corriente» facilitó la incorporación del cálculo neumático.

Decker, un estudiante de último año con especialización en ingeniería mecánica, construyó su sistema de control robótico blando principalmente a partir de materiales cotidianos como popotes de plástico y gomas elásticas. A pesar de su simplicidad, los experimentos demostraron que las puertas lógicas accionadas por aire del sistema podrían configurarse para realizar operaciones llamadas funciones booleanas que son la base de la informática moderna.

«El objetivo nunca fue reemplazar por completo las computadoras electrónicas», dijo Decker. Dijo que hay muchos casos en los que los robots blandos o los dispositivos portátiles solo necesitan programarse para unos pocos movimientos simples, y es posible que la tecnología demostrada en el documento «sería mucho más barata y segura de usar y mucho más duradera» que los controles electrónicos tradicionales.


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Como estudiante de primer año, Decker comenzó a trabajar en el laboratorio de Daniel Preston, profesor asistente de ingeniería mecánica en Rice. Decker estudió sistemas de control de fluidos y se interesó en crear uno cuando ganó una beca de investigación de verano competitiva que le permitiría pasar unos meses trabajando en el laboratorio del químico y científico de materiales de Harvard George Whitesides.

El proyecto se convirtió en una colaboración de un mes entre los dos grupos de investigación, y Decker tuvo nueve coautores en el estudio, incluidos los coautores correspondientes Preston y Whitesides.

Decker y sus colegas crearon dos componentes, un actuador similar a un pistón que traduce la presión del aire en fuerza mecánica y una válvula que se puede cambiar entre dos estados: apagado y encendido. Los componentes estaban hechos de partes que incluían pajitas de plástico para beber, tubos de plástico flexibles, bandas elásticas, papel pergamino y láminas de poliuretano termoplástico que podían unirse con una prensa térmica de escritorio o una plancha caliente.

El equipo de investigación demostró que los dos componentes podrían combinarse en un solo dispositivo, una válvula biestable que funciona como un interruptor y usa presión de aire como entrada y salida. Se necesita una cantidad específica de presión de aire para mover el interruptor entre los estados de apagado y encendido. Las válvulas se mantienen cerradas con bandas elásticas y se programan sumando o restando bandas elásticas, lo que cambia la cantidad de presión requerida para la activación. En las pruebas, Decker demostró que los circuitos podrían usarse para controlar un robot suave con forma de mano, un cojín neumático y un robot del tamaño de una caja de zapatos que podía caminar una cantidad preprogramada de pasos, recuperar un objeto y regresar a su ubicación inicial.

«El mayor logro de este trabajo es la incorporación de control tanto digital como analógico en la misma arquitectura del sistema», dijo Preston. Teniendo ambos medios, los circuitos de control neumático se pueden programar digitalmente, con los «unos y ceros que se imaginan en una computadora tradicional. Pero también podemos traer capacidades analógicas, cosas que son continuas», dijo. «Eso nos permite simplificar realmente la arquitectura general del sistema y lograr nuevas capacidades a las que no se podía acceder en trabajos anteriores».

Es raro que un estudiante universitario sea el autor principal de un estudio en una revista tan prestigiosa como la Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, pero Preston dijo que el éxito de Decker no fue casualidad.

«Los estudiantes universitarios de Rice son verdaderamente de primera categoría, y Colter, en su caso, en realidad se ha elevado a lo que yo diría que es el nivel de un estudiante de doctorado en términos de parte de su producción como investigador universitario», Preston dijo.

Los coautores adicionales incluyen a Haihui Joy Jiang, Samuel Root, Jonathan Alvarez, Jovanna Tracz y Lukas Wille de Harvard, Anoop Rajappan de Rice y Markus Nemitz del Instituto Politécnico de Worcester.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DE-SC0000989), la Fundación Nacional de Ciencias (2144809, 2011754, 2025158), la Academia de Becarios de la Universidad de Rice y el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard.

Vídeo: https://youtu.be/0D22s2cMlxc

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de arroz. Original escrito por Jade Boyd. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.