Robot blando que se energiza y mueve por campos magnéticos

Unos robotistas han creado un robot blando subacuático, cuya forma corporal está inspirada en la de las mantarrayas, que se vale de campos magnéticos tanto para desplazarse como para recargar su fuente de alimentación eléctrica a bordo.

El logro es obra de un equipo integrado, entre otros, por Changsheng Wu, de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), y Xiaosa Li, de la Escuela Internacional de Posgrado Tsinghua Shenzhen en China.

Los robots blandos son ideales para atravesar espacios delicados sin dañarlos o para recorrer conductos estrechos con muchas curvas. Sin embargo, lograr robots duraderos de esta clase y que no dependan de conexiones externas por cable, ha venido siendo un desafío. Es fácil fabricar una carcasa flexible que pueda adaptar su forma a las estrecheces de los sitios por los que pase. Pero lograr lo mismo para una batería no lo es. Las baterías convencionales suelen ser rígidas y dotan de rigidez a una parte del cuerpo del robot. Otras opciones de baterías adolecen de una descarga demasiado rápida o de una vida útil corta. Todo esto hace que los robots blandos tengan una vida útil corta o bien deban estar siempre conectados por cable al exterior.

Wu y sus colegas encontraron una manera de superar estos obstáculos: los mismos campos magnéticos utilizados para controlar a los robots blandos también pueden mejorar el rendimiento de las baterías flexibles que contienen. "Los campos magnéticos se utilizan normalmente para estimular el movimiento en robots blandos, en un proceso llamado 'actuación', pero nos dimos cuenta de que también podrían estabilizar las reacciones electroquímicas dentro de las baterías flexibles", explica Wu. Permitir que la actuación y la gestión de la energía compartan el mismo principio físico nos permite lograr un robot autónomo y eficiente.

El equipo diseñó baterías flexibles de dióxido de manganeso y zinc encapsuladas en silicona blanda y apiladas verticalmente dentro de un cuerpo robótico inspirado en la anatomía de la mantarraya.

Mediante pruebas, los investigadores comprobaron que el campo magnético producido por los propios actuadores ferromagnéticos del robot estabiliza la química interna de las baterías flexibles, reduciendo el riesgo de crecimiento de dendritas (depósitos metálicos con forma de aguja que degradan el rendimiento de la batería y que incluso pueden causar cortocircuitos) y manteniendo una buena producción de electricidad pese a las repetidas flexiones. Con la mejora magnética, las baterías conservaron el 57,3% de su capacidad después de 200 ciclos, casi el doble de la conservada tras la misma cantidad de ciclos por baterías iguales pero sin la mejora magnética.

Para demostrar de manera práctica el concepto, el equipo construyó un robot mantarraya de accionamiento magnético, equipado con baterías flexibles, actuadores de elastómero magnético blando y un circuito híbrido ligero para detección y comunicación inalámbrica. Las aletas del robot se mueven en respuesta a los campos magnéticos externos generados por una bobina o un conjunto de electroimanes, lo que le permite estabilizar su locomoción y adaptarse a diferentes entornos acuáticos.

El nuevo y diminuto robot. (Foto: College of Design and Engineering at NUS. CC BY-NC-ND)

Como era de esperar, los mismos campos magnéticos que impulsan y dirigen al robot también mejoran su estabilidad energética, lo que confirma la validez de la estrategia de fusionar el control de movimiento con la gestión de la energía. El robot puede realizar maniobras básicas de natación, como propulsión lineal, giros de 90 grados y trayectorias complejas, todo ello mientras transmite datos en tiempo real a un ordenador que visualiza sus movimientos en un entorno de gemelo digital.

En esta configuración, el robot demostró incluso capacidad de toma de decisiones autónoma. Por ejemplo, al encontrarse con un obstáculo, los sensores inerciales integrados detectaron cambios repentinos en la aceleración, lo que a su vez activó el sistema de control para ajustar su orientación y cambiar de rumbo. El robot navegó con éxito por pasajes estrechos mediante ajustes de postura y realizó giros en U al enfrentarse a obstáculos infranqueables. Durante las pruebas de perturbación, el algoritmo de retroalimentación corrigió rápidamente las desviaciones causadas por fuerzas externas como las olas o el contacto físico, manteniendo un control de trayectoria estable.

Wu y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo robot en la revista académica Science Advances, bajo el título “Magnetic field–enhanced vertical integration enables embodied intelligence in untethered soft robots”. (Fuente: NCYT de Amazings)