En el mundo de la robótica, donde los límites de lo posible se desplazan constantemente, los científicos e ingenieros buscan continuamente formas de hacer que las máquinas sean lo más parecidas posible a los organismos vivos. Uno de los avances más recientes y emocionantes en esta dirección proviene de la Northwestern University, donde se han desarrollado innovadores músculos artificiales blandos. Esta tecnología revolucionaria abre la puerta a una nueva generación de robots, aquellos que serán capaces de un movimiento más fluido, una mejor interacción con el entorno y, lo que es más importante, un funcionamiento autónomo sin necesidad de una fuente de alimentación externa constante.

Estos nuevos actuadores, como se les llama profesionalmente, representan un paso clave hacia la construcción de sistemas musculoesqueléticos robóticos que imitan la complejidad y la eficiencia del cuerpo humano. Su rendimiento y propiedades mecánicas prometen transformar la forma en que los robots caminan, corren, interactúan con las personas y navegan por el dinámico mundo que los rodea. Imaginen robots que se mueven con la gracia y la fuerza de un atleta, capaces de absorber impactos, pero también de generar la fuerza suficiente para realizar tareas exigentes.

Inspiración en la naturaleza: El camino hacia robots más flexibles

Durante mucho tiempo, los robots fueron sinónimo de estructuras mecánicas rígidas, diseñadas para movimientos precisos pero a menudo limitados en entornos controlados. Aunque dichos robots son extremadamente eficientes en plantas industriales, su rigidez representa una desventaja significativa en el impredecible y complejo mundo real. El cuerpo humano, con sus huesos, músculos y tendones, ofrece un ejemplo perfecto de un sistema que es a la vez fuerte, flexible y adaptable. Fue precisamente esta bioinspiración la que guió al equipo de ingenieros de la Northwestern University.

El Dr. Ryan Truby, autor principal del estudio y profesor de ciencia de materiales e ingeniería mecánica en la McCormick School of Engineering, destaca la importancia de este enfoque. Su objetivo es crear cuerpos robóticos que sean flexibles, adaptables y capaces de hacer frente a la incertidumbre del mundo físico. Esto incluye no solo músculos artificiales prácticos, sino también componentes que imitan huesos, tendones y ligamentos. A través de este enfoque, los robots no solo se vuelven más resistentes y adaptables, sino que también pueden aprovechar la mecánica de los materiales más blandos para ser más eficientes energéticamente.

Taekyoung Kim, investigador postdoctoral en el laboratorio de Truby y primer autor del estudio, enfatiza que es extremadamente difícil crear robots sin conformidad física que reaccionen suavemente a los cambios externos e interactúen de forma segura con los humanos. Para los futuros robots que se moverán de manera más natural y segura en entornos no estructurados, es crucial diseñarlos siguiendo el modelo del cuerpo humano, con esqueletos duros y actuadores blandos similares a los músculos.

Superando los desafíos en la replicación de los músculos

Los intentos anteriores de desarrollar actuadores blandos con propiedades mecánicas similares a las de los músculos a menudo han encontrado obstáculos significativos. Muchos requerían equipos de alimentación voluminosos y pesados, e incluso entonces, no eran lo suficientemente duraderos ni podían generar la fuerza suficiente para realizar tareas reales. El Dr. Truby explica que es extremadamente difícil diseñar materiales blandos para que funcionen como músculos. Incluso si se puede hacer que un material se mueva como un músculo artificial, existen muchos otros desafíos, como la transmisión de fuerza suficiente con la potencia adecuada. Conectar dichos músculos a elementos rígidos y óseos presenta problemas adicionales.

El equipo superó estos desafíos basándose en un actuador desarrollado previamente en el laboratorio de Truby. El corazón de ese actuador es una estructura cilíndrica impresa en 3D llamada "handed shearing auxetic" (HSA). La HSA posee una estructura compleja que permite movimientos y propiedades únicos, como alargarse y expandirse cuando se tuerce. El movimiento de torsión necesario para mover la HSA puede ser generado por un pequeño motor eléctrico integrado. Kim desarrolló un método de impresión en 3D de estructuras HSA a partir de un caucho común y económico, similar al que se usa a menudo para fabricar fundas de teléfonos móviles.

Diseño innovador de músculo artificial

En el nuevo diseño, el equipo recubrió la estructura HSA con una estructura de fuelle de origami de caucho. Esta innovadora combinación permite que un motor giratorio impulse la extensión y contracción de los actuadores ensamblados. El resultado son músculos artificiales que pueden empujar y tirar con una fuerza impresionante. Lo que es particularmente fascinante es la capacidad del músculo para endurecerse dinámicamente cuando se activa, al igual que un músculo humano. Esta característica es crucial para la estabilidad y el control del movimiento.

Cada uno de estos músculos artificiales pesa aproximadamente como un balón de fútbol y es un poco más grande que una lata de refresco. Puede estirarse hasta un 30% de su longitud, contraerse y levantar objetos 17 veces más pesados que él mismo. Quizás lo más importante para su aplicación en cuerpos robóticos es el hecho de que los músculos pueden ser alimentados por baterías, eliminando la necesidad de equipos externos y pesados. Esta autonomía abre el camino a robots verdaderamente autónomos que no están atados a fuentes de energía.

Una pierna humanoide que "patea" y "siente"

Para demostrar el potencial real de estos músculos, Truby, Kim y su equipo utilizaron la impresión 3D para crear una pierna robótica de tamaño humano. Los "huesos" de la pierna se construyeron con plástico rígido, mientras que los conectores inspirados en los tendones se fabricaron con caucho. Los tendones elásticos conectan los músculos cuádriceps e isquiotibiales con la tibia, y el músculo de la pantorrilla con la estructura del pie. Estos tendones y músculos ayudan a amortiguar los movimientos y a absorber los impactos, de forma similar a un sistema musculoesquelético biológico. Esta integración de componentes blandos y rígidos permite un movimiento más fluido y natural, reduciendo el riesgo de daños al robot o al entorno.

Además, el equipo integró un sensor flexible impreso en 3D que permite a la pierna "sentir" su propio músculo. Diseñado como un sándwich, una capa conductora de plástico flexible se aprieta entre dos capas no conductoras. Cuando el músculo artificial se mueve, el sensor también se mueve. A medida que se estira, su resistencia eléctrica cambia, lo que permite al robot sentir cuánto se está extendiendo o contrayendo su músculo. Esta capacidad de propiocepción, el sentido de la propia posición y movimiento, es crucial para el control fino y la adaptación en tareas complejas. Permite al robot realizar movimientos con mayor precisión, mantener el equilibrio y reaccionar ante obstáculos inesperados.

La pierna resultante es compacta y funciona con baterías. Una sola carga de una batería portátil proporcionó suficiente energía para que la pierna se doblara en la rodilla miles de veces en una hora. Lograr capacidades similares con otras tecnologías de actuadores blandos sería extremadamente difícil, si no impracticable. Esta eficiencia energética y autonomía hacen que estos músculos artificiales sean extremadamente prometedores para una amplia gama de aplicaciones.

Contexto más amplio y aplicaciones futuras

El desarrollo de estos "músculos óseos" representa un avance significativo en el campo de la robótica blanda, una rama de la robótica que se centra en la creación de robots a partir de materiales que son inherentemente flexibles y adaptables. A diferencia de los robots tradicionales, los robots blandos pueden trabajar de forma segura junto a los humanos, manipular objetos delicados y moverse a través de entornos complejos y no estructurados. Las posibles aplicaciones son enormes y variadas.

En medicina, estos músculos podrían revolucionar la protésica, creando extremidades que no solo son funcionales, sino también sensibles y más naturales para el usuario. Podrían utilizarse en el desarrollo de exoesqueletos para ayudar a personas con discapacidad o para la rehabilitación. En la industria, los robots equipados con estos músculos podrían asumir tareas que requieren una manipulación delicada, como el embalaje de productos frágiles o el trabajo en espacios reducidos. Su capacidad para absorber impactos los hace ideales para trabajar en entornos dinámicos e impredecibles, reduciendo el riesgo de daños en el equipo o lesiones.

Además, estos músculos abren nuevas posibilidades para la búsqueda y el rescate. Los robots con tales músculos podrían moverse a través de escombros, pasajes estrechos o terrenos peligrosos con mayor agilidad y resistencia. En el campo de la exploración espacial, los robots flexibles podrían ser ideales para manipular muestras en otros planetas o para reparaciones en el espacio, donde la precisión y la adaptabilidad son clave. El Dr. Truby ve con entusiasmo cómo estos músculos artificiales pueden impulsar nuevas direcciones para los robots humanoides y animales, abriendo el camino a máquinas que no solo son inteligentes, sino también físicamente capaces de interactuar con el mundo de una manera que hasta ahora estaba reservada solo para los seres vivos.

La investigación fue publicada en la prestigiosa revista Advanced Materials, lo que confirma su importancia científica e innovación. Además de Ryan Truby y Taekyoung Kim, en el estudio también participaron Eliot Dunn, un investigador interno de secundaria en el Robotic Matter Lab, y Melinda Chen, participante en el programa Research Experience for Undergraduates en el Northwestern University Materials Research Science and Engineering Center. El trabajo fue apoyado por la Office of Naval Research y por Leslie y Mac McQuown a través del Center for Engineering Sustainability and Resilience de la Northwestern University. Esta colaboración de investigadores de diferentes niveles y el apoyo de instituciones clave subrayan el enfoque multidisciplinario y la importancia de este descubrimiento para el futuro de la robótica.

Fuente: Northwestern University