Lograr reproducir por medios artificiales el tejido muscular que proporciona el movimiento al ser humano se ha convertido en un objetivo de gran interés en todo el mundo.
En los últimos años el trabajo en este campo ha dado lugar a muchas innovaciones que mejoran la robótica muscular y las prótesis.
Progreso
Recientemente investigadores de la Universidad Queen Mary en Londres lograron avances significativos en el campo de la biónica con el desarrollo de un nuevo tipo de músculo artificial eléctrico de rigidez variable que posee capacidades de autodetección.
Inspirándose en la naturaleza el equipo de la Escuela de Ingeniería y Ciencia de los Materiales de Queen Mary creó con éxito un músculo artificial que cambia sin problemas entre estados blandos y duros, al mismo tiempo que posee la capacidad de detectar fuerzas y deformaciones.
Y es que el endurecimiento de la contracción muscular no solo es esencial para mejorar la fuerza, sino que permite también reacciones rápidas en los organismos vivos.
Para los científicos esta innovadora tecnología tiene el potencial de revolucionar la robótica blanda y las aplicaciones médicas.
Ketao Zhang, profesor de Ciencia de los Materiales en Queen Mary e investigador principal del proyecto, explica que los recientes avances en músculos artificiales con rigidez variable contribuyen en gran medida al amplio desarrollo de la robótica biónica y blanda.
“La combinación de rigidez y flexibilidad variables permite que estos robots se adapten a entornos complejos y cambiantes y realicen múltiples tareas en comparación con los tradicionales de cuerpo rígido”, agrega.
Por ejemplo, una pinza suave con variación de rigidez puede proporcionar un agarre suficiente sin dañar objetos frágiles. Además, los robots blandos utilizan la flexibilidad inherente para atravesar espacios reducidos, pero aun así pueden aumentar su capacidad de carga al aumentar su rigidez.
Peculiaridades
Este nuevo músculo artificial de última generación exhibe una flexibilidad y capacidad de estiramiento similares a las del músculo natural, lo que lo hace ideal para integrarse en sistemas robóticos blandos complejos y adaptarse a diversas formas geométricas.
Con la capacidad de resistir más de 200% de estiramiento a lo largo de la dirección longitudinal, este actuador flexible con una estructura rayada demuestra una durabilidad excepcional.
Al aplicar diferentes voltajes el músculo artificial puede ajustar rápidamente su rigidez, logrando una modulación continua con un cambio de rigidez superior a 30 veces de su estado primario. Además, impulsado por el voltaje proporciona una ventaja significativa en términos de velocidad de respuesta sobre otros tipos de músculos artificiales.
Igualmente, esta novedosa tecnología puede monitorear su deformación a través de cambios de resistencia, eliminando la necesidad de arreglos de sensores adicionales y simplificando los mecanismos de control mientras reduce los costos de elaboración.
Si bien antes la fabricación de músculos artificiales implicaba procesos complejos, con materiales caros y difíciles de encontrar, la producción de este músculo con autodetección es simple y confiable. Utilizando tecnología de dispersión ultrasónica el equipo de científicos combinó nanotubos de carbono con silicona líquida recubriendo la mezcla uniformemente con un aplicador de película para crear el cátodo de capa delgada, que también sirve como parte sensora del músculo artificial. El ánodo se fabrica directamente con un corte de malla de metal blando y la capa de actuación se intercala entre el cátodo y el ánodo. Después de que los materiales líquidos se curan, se forma un músculo artificial de rigidez variable con autodetección completa.
Aplicaciones
Las potenciales aplicaciones de esta tecnología flexible de rigidez variable son muy amplias y van desde nuevas aplicaciones médicas, la creación de piezas antes muy difíciles de fabricar para la robótica blanda y un paso más a la integración hombre-máquina, debido a que su perfecta integración con el cuerpo humano abre posibilidades para ayudar a personas con discapacidades o pacientes a realizar tareas diarias esenciales.
Al integrar el músculo artificial con autodetección los dispositivos robóticos portátiles pueden monitorear las actividades de un paciente y proporcionar resistencia al ajustar los niveles de rigidez, lo que facilita la restauración de la función muscular durante y luego del entrenamiento de rehabilitación.
“Aunque todavía hay desafíos que abordar antes de que estos robots médicos puedan implementarse en entornos clínicos, esta investigación representa un paso crucial hacia la integración hombre-máquina. Proporciona un modelo para el desarrollo futuro de robots blandos y portátiles”, destaca Zhang.
Robots blandos con variación de rigidez
De acuerdo con el suministro de energía, los robots blandos con variación de rigidez se pueden clasificar en tres tipos:
1. Diseños neumáticos de rigidez variable, que normalmente utilizan la forma de estructuras de bloqueo, tienen un excelente ajuste de rigidez —al menos diez veces— y velocidad rápida de menos de un segundo, pero requiere una fuente de aire voluminosa y una variedad de circuitos neumáticos.
2. Diseños termodinámicos de rigidez variable. Estos suelen adoptar una aleación con memoria de forma o las configuraciones de aleación de bajo punto de fusión logran una rigidez variable principalmente a través del cambio de fase de los materiales y son efectivos para aplicaciones cuya rigidez puede modificarse a través del cambio de temperatura de los entornos. Sin embargo, la velocidad de respuesta generalmente de más de un segundo necesita mejoras adicionales.
3. En los últimos años se han propuesto diseños eléctricos de rigidez variable para proporcionar nuevas soluciones basadas en la tecnología de adsorción electrostática. Los robots que adoptan estos diseños tienen una tasa de respuesta extremadamente rápida de menos de 100 milisegundos y pueden controlarse directamente con electricidad.