Como ingeniera robótica, Yasemin Ozkan-Aydin, profesora asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Notre Dame, se inspira en los sistemas biológicos. Los comportamientos colectivos de hormigas, abejas y pájaros para resolver problemas y superar obstáculos es algo que los investigadores han desarrollado en robótica aérea y submarina. Sin embargo, el desarrollo de robots de enjambre a pequeña escala con la capacidad de atravesar terrenos complejos conlleva un conjunto único de desafíos.
En una investigación publicada en Ciencia Robótica, Ozkan-Aydin presenta cómo fue capaz de construir robots de múltiples patas capaces de maniobrar en entornos desafiantes y realizar tareas difíciles de forma colectiva, imitando a sus homólogos del mundo natural.
«Los robots con patas pueden navegar en entornos desafiantes como terrenos accidentados y espacios reducidos, y el uso de extremidades ofrece un apoyo corporal eficaz, permite una maniobrabilidad rápida y facilita el cruce de obstáculos», dijo Ozkan-Aydin. «Sin embargo, los robots con patas enfrentan desafíos de movilidad únicos en entornos terrestres, lo que resulta en un rendimiento locomotor reducido».
Para el estudio, dijo Ozkan-Aydin, planteó la hipótesis de que una conexión física entre robots individuales podría mejorar la movilidad de un sistema colectivo terrestre con patas. Los robots individuales realizaban tareas simples o pequeñas, como moverse sobre una superficie lisa o transportar un objeto liviano, pero si la tarea estaba más allá de la capacidad de la unidad individual, los robots se conectaban físicamente entre sí para formar un sistema de múltiples patas más grande y colectivamente superar problemas.
«Cuando las hormigas recogen o transportan objetos, si uno se encuentra con un obstáculo, el grupo trabaja colectivamente para superar ese obstáculo. Si hay un espacio en el camino, por ejemplo, formarán un puente para que las otras hormigas puedan atravesarlo, y esa es la inspiración para este estudio «, dijo. «A través de la robótica podemos obtener una mejor comprensión de la dinámica y los comportamientos colectivos de estos sistemas biológicos y explorar cómo podríamos utilizar este tipo de tecnología en el futuro».
Con una impresora 3D, Ozkan-Aydin construyó robots de cuatro patas que medían de 15 a 20 centímetros, o aproximadamente de 6 a 8 pulgadas de largo. Cada uno estaba equipado con una batería de polímero de litio, un microcontrolador y tres sensores: un sensor de luz en la parte delantera y dos sensores táctiles magnéticos en la parte delantera y trasera, lo que permite que los robots se conecten entre sí. Cuatro patas flexibles redujeron la necesidad de sensores y piezas adicionales y les dieron a los robots un nivel de inteligencia mecánica, lo que ayudó a la hora de interactuar con terrenos accidentados o irregulares.
«No se necesitan sensores adicionales para detectar obstáculos porque la flexibilidad de las piernas ayuda al robot a pasarlos», dijo Ozkan-Aydin. «Pueden probar los huecos en un camino, construir un puente con sus cuerpos, mover objetos individualmente o conectarse para mover objetos colectivamente en diferentes tipos de entornos, no muy diferentes a las hormigas».
Ozkan-Aydin comenzó su investigación para el estudio a principios de 2020, cuando gran parte del país fue cerrado debido a la pandemia de COVID-19. Después de imprimir cada robot, construyó cada uno y realizó sus experimentos en casa, en su patio o en el patio de recreo con su hijo. Los robots se probaron sobre hierba, mantillo, hojas y bellotas. Se llevaron a cabo experimentos en terreno plano sobre tableros de partículas y ella construyó escaleras con espuma aislante. Los robots también se probaron sobre alfombras de pelo largo y se pegaron bloques de madera rectangulares a tableros de partículas para que sirvieran como terreno accidentado.
Cuando una unidad individual se atascaba, se enviaba una señal a robots adicionales, que se unían para brindar apoyo para atravesar obstáculos con éxito mientras trabajaban colectivamente.
Ozkan-Aydin dice que todavía hay mejoras por hacer en su diseño. Pero espera que los hallazgos del estudio informen el diseño de enjambres de patas de bajo costo que puedan adaptarse a situaciones imprevistas y realizar tareas cooperativas del mundo real, como operaciones de búsqueda y rescate, transporte de objetos colectivos, exploración espacial y monitoreo ambiental. Su investigación se centrará en mejorar las capacidades de control, detección y potencia del sistema, que son esenciales para la locomoción y la resolución de problemas en el mundo real, y planea usar este sistema para explorar la dinámica colectiva de insectos como hormigas y termitas. .
«Para los sistemas de enjambre funcionales, la tecnología de la batería debe mejorarse», dijo. «Necesitamos baterías pequeñas que puedan proporcionar más energía, idealmente que duren más de 10 horas. De lo contrario, el uso de este tipo de sistema en el mundo real no es sostenible». Las limitaciones adicionales incluyen la necesidad de más sensores y motores más potentes, mientras se mantiene pequeño el tamaño de los robots.
«Debe pensar en cómo funcionarían los robots en el mundo real, por lo que debe pensar en la cantidad de energía que se requiere, el tamaño de la batería que usa. Todo es limitado, por lo que debe tomar decisiones con cada parte del máquina.»
Daniel I. Goldman, del Instituto de Tecnología de Georgia, fue coautor del estudio.
