Robots con novedosos sensores ópticos para aumentar la sensibilidad. Un nuevo material mejora la sensibilidad de los dedos artificiales a la fuerza y al tacto.
Investigadores de de Estados Unidos, han creado una mano robótica mucho más realista recurriendo a sensores ópticos. Integrando 14 sensores de fibra óptica en tres dedos, han conseguido que un robot sea capaz de determinar cualquier objeto en contacto con sus yemas y detectar fuerzas mínimas. Aunque no lo han incorporado aún a esta versión, también han desarrollado un nuevo tipo de sensor óptico elástico que aportará mayor flexibilidad a la piel artificial.
Robots blandos
Las extremidades superiores son, en cierto modo, la frontera de la robótica, lo que les impide manipular objetos sabiendo lo que son y la presión que pueden ejercer sobre ellos. No es de extrañar por tanto que numerosos equipos de investigación traten de encontrar la piel artificial más realista. Es lo que se conoce como robótica blanda, a partir de materiales mucho más elásticos y flexibles que los empleados en la robótica clásica. Entre esas investigaciones se encuentra la de un equipo de la Universidad Carnegie Mellon (CNM) en Estados Unidos, que ha comprobado cómo los sensores ópticos se pueden adaptar para su uso en manos robóticas.
Para demostrarlo han desarrollado una mano robótica blanda con tres dedos y múltiples sensores de fibra óptica integrados, creando además un nuevo tipo de sensor óptico elástico. Los investigadores consiguieron integrar 14 sensores de fibra óptica en cada uno de los dedos de la mano robótica, mejorando su capacidad de determinar aquello con lo que sus yemas entran en contacto y de detectar fuerzas menores a la décima parte de un newton. Y todo ello sin incorporar de momento el nuevo material flexible en esta versión, con lo que se conseguiría una piel robótica blanda para optimizar aún más la retroalimentación.
En cifras, la piel humana contiene miles de unidades sensoriales táctiles sólo en la yema del dedo, una araña tiene cientos de mecanorreceptores en cada pierna, mientras que hasta el humanoide más conseguido, como pueda ser el Robonaut de la NASA, sólo tiene 42 sensores entre la mano y la muñeca.
Imitando la estructura ósea
Hasta ahora la suma de sensores de fuerza o de presión convencionales resulta problemática porque el cableado puede ser complicado, propenso a la rotura y susceptible a interferencias con motores eléctricos u otros dispositivos electromagnéticos. Sin embargo, una sola fibra óptica puede contener varios sensores.
En los nuevos robots que se proponen todos los sensores de cada uno de los dedos de la mano están conectados con cuatro fibras aunque, en teoría, una sola fibra podría hacer el mismo trabajo. Además, a diferencia de los tradicionales, los sensores ópticos son impermeables a las interferencias electromagnéticas.
Los robots industriales, que trabajan en un entorno controlado donde apenas hay riesgos, son capaces de una manipulación muy precisa a pesar de tener sus sensores limitados. Sin embargo, el objetivo de nuevos equipos de investigación en robótica es desarrollar robots blandos que puedan interactuar de forma rutinaria y segura con seres humanos, para lo que es fundamental una mayor sensibilidad a la fuerza y al tacto.
En esta investigación, cada uno de los dedos de la mano robótica imita la estructura ósea del dedo humano, dividida en tres partes, la punta, el nódulo central y el nódulo base, conectados por tres articulaciones que les dan la posibilidad de movimiento. Los “huesos” son impresiones 3D en plástico duro e incorporan ocho sensores para detectar la fuerza.
Cada una de las tres secciones está cubierta con una piel elástica de silicona blanda, integrada con seis sensores que detectan cualquier tipo de contacto. Un tendón activo trabaja para doblar el dedo, mientras un tendón elástico pasivo ejerce la fuerza opuesta para enderezarlo.
La mano incorpora sensores de fibra óptica de redes de Bragg (FBG), que se caracterizan por la variación de la longitud de onda de cada sensor dependiendo si trabaja a compresión o a tracción. Esto supone un menor consumo de los sensores frente a los tradicionales, la posibilidad de conectarlos en serie a un canal de medida, la inexistencia de señales eléctricas y, por tanto, la inmunidad a campos electromagnéticos o ruidos en señal, además de la posibilidad de transmitir datos a decenas de kilómetros.
Sensor elástico
A pesar de sus ventajas, los sensores ópticos convencionales no se estiran demasiado –las fibras de vidrio apenas se extienden y las de polímero no sobrepasan el 20-25 por ciento-. Este es un factor que limita dispositivos como una mano, que requieren amplitud de movimientos. Un equipo desarrolló previamente sensores blandos microfluidos altamente estirables, unas membranas capaces de medir la fuerza mediante unos canales con líquido conductor. Sin embargo, no sólo resultaban difíciles de fabricar, sino que las fugas de líquidos podían ocasionar un desastre.
Para buscar una solución alternativa, trabajaron con estudiantes de Ingeniería Mecánica de la CMU y la Universidad de Texas, dando lugar a un sensor óptico altamente elástico y flexible a partir de una combinación de bandas elásticas de silicona disponibles en el mercado, revestidas con oro reflectante. Mientras las tiras de silicona se estiran, se crean grietas en la capa reflectante, permitiendo que la luz salga. Midiendo esa pérdida de luz, los investigadores son capaces de calcular la fuerza u otras deformaciones.
Este tipo de sensor óptico flexible se podría incorporar a pieles blandas, permitiendo crear unas manos robóticas que no sólo sean capaces de detectar el contacto, sino que también medir la fuerza.
