Músculos y nervios artificiales fabricados con una aleación de níquel y titanio con memoria de forma están haciendo brazos robóticos tan flexibles y ágiles como sus homólogos animales. Pero estos miembros artificiales también pesan menos, trabajan sin descanso y pueden controlarse con precisión. Los brazos robóticos biónicos que está desarrollando el equipo de investigación del profesor Stefan Seelecke en la Universidad del Sarre, en colaboración con el especialista alemán en automatización Festo, consumen muy poca energía eléctrica y pueden trabajar en condiciones de seguridad con seres humanos.

Los robots industriales actuales son potentes, rápidos y muy precisos, pero también pesados y potencialmente mortales. Cualquiera que trabaje con estas máquinas debe tener cuidado, ya que ser golpeado por el brazo de un robot industrial puede tener consecuencias dolorosas. Si queremos que las personas trabajen codo con codo y mano a mano con los robots, éstos tendrán que ser, literalmente, más blandos. El equipo de investigación dirigido por el profesor Stefan Seelecke, especialista en sistemas de materiales inteligentes de la Universidad del Sarre, está desarrollando un brazo robótico que no incorpora ninguna pieza de metal pesado.

Los investigadores de Saarbrücken se han inspirado en la naturaleza, concretamente en la trompa del elefante. La trompa de un elefante es un éxito evolutivo que ha tenido millones de años para adaptarse y demostrar su valía en la práctica", explica Stefan Seelecke. El delgado brazo robótico con forma de trompa que está desarrollando el equipo de investigación puede balancearse, oscilar y doblarse en todas direcciones. A diferencia de los pesados brazos metálicos articulados que se utilizan en los robots industriales actuales, el nuevo brazo robótico no está unido a una voluminosa articulación que sólo permite el movimiento en determinadas direcciones. Y al igual que la trompa de un elefante no tiene huesos, la trompa robótica no tiene ningún armazón metálico rígido. Su flexibilidad y maniobrabilidad se deben a la forma inteligente en que sus músculos artificiales interactúan entre sí.

Utilizando sistemas de materiales inteligentes, podemos crear herramientas robóticas flexibles y blandas que son mucho más ligeras y flexibles que los dispositivos que se utilizan hoy en día. No necesitan motores ni sistemas hidráulicos o neumáticos, basta con un poco de energía eléctrica. Esto hace que nuestra tecnología sea sostenible, rentable y silenciosa", afirma Stefan Seelecke. Su grupo de investigación en la Universidad de Saarland y en el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken (ZeMA) está desarrollando distintos tipos de músculos artificiales para su uso en troncos y tentáculos robóticos inteligentes. Para diseñar estos sistemas, los ingenieros utilizan polímeros inteligentes y aleaciones con memoria de forma. El equipo presenta un nuevo prototipo de tronco robótico en la Feria de Hannover de este año. Demostrarán las capacidades de una probóscide de 30 centímetros de largo cuyos "músculos" y "nervios" están hechos de haces de alambre de níquel-titanio. La tecnología que desarrollamos es escalable y puede emplearse en grandes brazos robóticos para aplicaciones industriales", explica Seelecke.

Los músculos artificiales fabricados con alambres de níquel-titanio pueden contraerse como los de los organismos vivos. Cuando se les ordena, pueden acortarse (contracción muscular) y volver a alargarse (relajación muscular). La capacidad del níquel-titanio para comportarse de esta manera se debe a que la aleación posee la inusual propiedad de la memoria de forma, es decir, el material es capaz de "recordar" su forma original y volver a ella después de ser deformado. Si un alambre de níquel-titanio se calienta, por ejemplo con corriente eléctrica, se acorta. Cuando se corta la corriente, el alambre se enfría y recupera su longitud original. La razón de este comportamiento reside en la estructura cristalina de la aleación. El calentamiento de la aleación induce transiciones de fase en estado sólido", explica el profesor Paul Motzki, que investiga con Stefan Seelecke y es catedrático interinstitucional en el campo de los sistemas de materiales inteligentes para la producción innovadora en la Universidad del Sarre y ZeMA. A diferencia del agua líquida, por ejemplo, que cambia de estado y se vuelve gaseosa al calentarse, el níquel-titanio permanece en estado sólido, pero su estructura cristalina sufre una transformación.

Los ingenieros construyen el tronco robótico a partir de un gran número de filamentos musculares artificiales. Al igual que el tejido muscular humano está formado por haces de fibras musculares, los filamentos musculares artificiales están compuestos por haces de alambres ultrafinos con memoria de forma. Estos haces de alambres ultrafinos proporcionan una gran superficie a través de la cual pueden transferir calor, lo que significa que se enfrían y se relajan más rápidamente después de la contracción. Y también son resistentes. Los alambres tienen la mayor densidad de energía de todos los mecanismos de accionamiento conocidos y pueden generar una fuerza de tracción considerable. Esto nos permite construir potentes tecnologías de accionamiento en espacios muy reducidos, algo que de otro modo sería imposible", explica Motzki. Al enhebrar los haces de alambre a través de una serie de discos de plástico redondos y finos, los haces de alambre mantienen el espacio entre los discos, creando así segmentos de la estructura en forma de tronco. Al unir varios de estos segmentos, los investigadores pueden construir un tronco entero, con el tamaño de los discos cada vez más pequeño hacia el extremo cónico del tronco.

Aplicando corrientes eléctricas, el equipo de investigadores puede flexionar los músculos del tronco. Al acortar los hilos musculares artificiales en un lado de un segmento muscular, el tronco se dobla hacia fuera en el ángulo deseado en ese punto. Controlando la activación de cada uno de los haces de cables, los músculos artificiales pueden flexionarse y extenderse para crear secuencias fluidas de movimientos. Sin necesidad de sensores adicionales, los investigadores pueden controlar la posición del tronco de forma rápida y precisa y hacer que ejecute casi cualquier secuencia de movimientos. No se necesitan sensores adicionales porque los propios músculos artificiales tienen propiedades sensoriales, lo que les permite actuar también como una especie de sistema nervioso interno. Cada deformación de los cables provoca un cambio en la resistencia eléctrica, lo que nos permite asignar un valor de resistencia preciso a cualquier deformación específica del cable. Con estos valores de resistencia sabemos exactamente cómo se deforma un determinado haz de cables, lo que básicamente confiere propiedades sensoriales al sistema", explica el doctorando Yannik Goergen, que desarrolló el tronco artificial como parte de su proyecto de investigación doctoral. Para entrenar el tronco biónico, los ingenieros utilizan estos valores para modelar y programar secuencias de movimiento, lo que a su vez implica desarrollar algoritmos inteligentes para este fin. También pueden equipar la punta del tronco con funciones adicionales, como una herramienta de agarre o un sistema de cámaras. El tronco también podría equiparse con una manguera capaz de dispensar o bombear fluidos con precisión.