Imagen. / MIT

Los actuadores neumáticos suaves pueden no ser una frase que surja en las conversaciones diarias, pero lo más probable es que se haya beneficiado de su utilidad. Los dispositivos utilizan aire comprimido para impulsar el movimiento y, con capacidades de detección, han demostrado ser una columna vertebral crítica en una variedad de aplicaciones, como dispositivos portátiles de asistencia, robótica y tecnologías de rehabilitación. 

Pero hay un poco de cuello de botella en la creación de pequeños dispositivos dinámicos que tienen ventajas como altas tasas de respuesta y relaciones de potencia a entrada. Requieren un proceso de diseño y fabricación manual, lo que se traduce en una gran cantidad de ciclos de prueba y error para probar y ver si los diseños funcionarán. 

Los científicos del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT diseñaron una tubería escalable para diseñar computacionalmente y fabricar digitalmente actuadores neumáticos blandos, llamada "PneuAct".

Robótica de asistencia portátil con detección integrada

PneuAct utiliza un proceso de tejido a máquina, no muy diferente al tejido con agujas de plástico de su abuela, pero esta máquina funciona de forma autónoma. Un diseñador humano simplemente especifica los patrones de diseño de la puntada y el sensor en el software para programar cómo se moverá el actuador, y luego se puede simular antes de imprimir. La pieza textil es fabricada por la máquina de tejer, que se puede fijar a un tubo de silicona de caucho comercial y económico para completar el actuador. 

El actuador tejido integra hilo conductor para la detección, lo que permite que los actuadores "sientan" lo que tocan. El equipo elaboró ​​varios prototipos que abarcan un guante de asistencia, una mano suave, un robot interactivo y un cuadrúpedo neumático para caminar. Sus dispositivos estaban envueltos en una tela amarilla suave que los hacía parecer un poco como dedos de plátano.

Si bien ha habido mucho movimiento en el desarrollo de hardware de actuadores neumáticos blandos a lo largo de los años (un prototipo de 2019 de un robot colaborativo utilizó dichos actuadores para reproducir un agarre similar al humano en sus manos), las herramientas de diseño no han mejorado con tanta velocidad. Los procesos antiguos solían utilizar polímeros y molduras, pero los científicos utilizaron una combinación de puntadas elásticas y sensibles (con hilo conductor) que permite programar la flexión de los dispositivos cuando están inflados y la capacidad de incorporar retroalimentación del mundo real. 

Por ejemplo, el equipo usó los actuadores para construir un robot que detectaba cuándo era tocado específicamente por manos humanas y reaccionaba a ese toque. 

Un humano puede usar el guante del equipo para complementar el movimiento de los músculos de los dedos, minimizando la cantidad de actividad muscular necesaria para completar tareas y movimientos. Esto podría tener un gran potencial para las personas con lesiones, movilidad limitada u otros traumatismos en los dedos. El método también se puede usar para hacer un exoesqueleto (unidades robóticas portátiles controladas por una computadora que complementan el movimiento humano y restauran la locomoción y el movimiento); con ese fin, los investigadores crearon una manga que puede ayudar a los usuarios a doblar el codo, la rodilla u otras partes del cuerpo. 

"El tejido a máquina digital, que es un método de fabricación muy común en la industria textil actual, permite imprimir un diseño de una sola vez, lo que lo hace mucho más escalable", dice Yiyue Luo, estudiante de doctorado del MIT CSAIL y autor principal de un nuevo artículo. sobre la investigación “Los actuadores neumáticos suaves son intrínsecamente compatibles y flexibles, y combinados con materiales inteligentes, se han convertido en una fuerza necesaria en muchos robots y tecnologías de asistencia, y la fabricación rápida, con nuestra herramienta de diseño, puede aumentar la facilidad y la ubicuidad”. 

Dar sentido a los sensores 

Un tipo de detección que incorporó el equipo se denominó "detección de presión resistiva", donde el actuador "envía" presión. Al fabricar una pinza robótica, intentaría agarrar algo, y el sensor de presión detectaría cuánta fuerza se estaba aplicando al objeto, y luego intentaría ver si el agarre fue exitoso o no. El otro tipo es la "detección capacitiva", en la que el sensor detecta cierta información sobre los materiales con los que se pone en contacto el actuador. 

Los actuadores son resistentes: no se dañó ningún hilo en el proceso. Una limitación del sistema es que estaban limitados a actuadores en forma de tubo, porque es muy fácil comprarlos listos para usar. Un próximo paso lógico es explorar actuadores de diferentes formas, para evitar estar limitado por esa estructura única. Otra extensión que explorarán los científicos es ampliar la herramienta para incorporar un diseño basado en la optimización y orientado a tareas, en el que los usuarios pueden especificar poses objetivo y patrones de costura óptimos que se pueden sintetizar automáticamente. 

“Nuestra herramienta de software es rápida, fácil de usar y previsualiza con precisión los diseños de los usuarios, lo que les permite iterar virtualmente rápidamente mientras solo necesitan fabricar una vez. Pero este proceso aún requiere algo de prueba y error por parte de los humanos. ¿Puede una computadora razonar sobre cómo los textiles deben programarse físicamente en los actuadores para permitir un comportamiento rico e impulsado por la detección? Esa es la próxima frontera”, dice Andrew Spielberg, postdoctorado en ciencia de materiales e ingeniería mecánica en la Universidad de Harvard, otro autor del artículo. 

Luo escribió el artículo junto con Kui Wu, ex estudiante de doctorado de MIT CSAIL, Spielberg, el posdoctorado de MIT Michael Foshey y los profesores de MIT Tomas Palacios, Daniela Rus y Wojciech Matusik. Presentaron el documento en la Conferencia ACM sobre factores humanos en sistemas informáticos.

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