La energía sigue siendo un factor importante en los procesos de producción industrial. Los altos niveles de consumo energético encarecen la producción y agravan la crisis climática. En Sarre se está desarrollando un nuevo tipo de tecnología robótica que necesita un 90 % menos de electricidad que los sistemas convencionales.

La tecnología utiliza materiales ligeros con memoria de forma para construir novedosos sistemas de pinzas industriales no neumáticas que funcionan sin necesidad de sensores adicionales. El equipo de investigación dirigido por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki de la Universidad de Saarland presentará la tecnología en la Feria de Hannover de este año.

Los brazos robóticos se utilizan en innumerables entornos de producción industrial moderna. Se utilizan para una amplia gama de tareas, como mantener las piezas de trabajo en su posición, insertar componentes, ensamblar placas de circuitos impresos, así como mover, cargar o descargar piezas. Y cuando están en uso, la mayoría de ellos consumen energía sin parar. En conjunto, estos brazos robóticos industriales consumen varios gigavatios de energía eléctrica. Muchos de los sistemas de agarre funcionan neumáticamente con aire comprimido, que puede ser desagradablemente ruidoso. A menudo son pesados, sus piezas móviles se desgastan con el tiempo y tienden a ejecutar un patrón de movimiento constante y muy repetitivo. Esta tecnología existente establece límites en el grado de miniaturización que se puede lograr, y los sistemas de pinzas a pequeña escala con puntos de agarre pequeños son particularmente difíciles de realizar. Los brazos robóticos convencionales también son difíciles de reprogramar rápidamente, y a menudo no es seguro que los trabajadores humanos interactúen de cerca con ellos en las líneas de producción.

Pero un nuevo tipo de tecnología de accionamiento puede hacer que los robots industriales del futuro sean más ligeros, compactos, flexibles y eficientes energéticamente. La tecnología se basa en aleaciones ligeras con memoria de forma (SMA), que el equipo de ingenieros dirigido por los profesores Paul Motzki y Stefan Seelecke de la Universidad de Saarland y el Centro de Tecnología de Mecatrónica y Automatización de Saarbrücken (ZeMA) está utilizando para construir novedosas pinzas robóticas. «El trabajo que estamos realizando puede contribuir a reducir significativamente el consumo de energía, lo que reducirá los costes de producción y ayudará a proteger el clima», explica Paul Motzki, profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes para la Producción Innovadora en la Universidad de Saarland y director científico y consejero delegado de ZeMA gGmbH.

«Podemos controlar estos sistemas de pinzas en tiempo real y siempre que sea necesario; todo lo que tenemos que hacer es aplicar un breve impulso de corriente eléctrica», explica el profesor Motzki.

El sistema de pinzas de Saarbrücken es totalmente eléctrico y está compuesto por haces de cables ultrafinos hechos de aleación de níquel-titanio con memoria de forma. Estos haces de cables ultrafinos actúan no solo como músculos poderosos, sino también como fibras nerviosas. El comportamiento de estos haces de cables se debe a una propiedad especial de la aleación de níquel-titanio, a saber, que puede cambiar entre dos estructuras de red cristalina diferentes. Si una corriente eléctrica fluye a través de un cable hecho de níquel-titanio, el material se calienta, lo que hace que adopte una estructura cristalina diferente, con el resultado de que el cable se acorta. Cuando se desconecta la corriente, el cable se enfría y vuelve a su estructura cristalina anterior y a su longitud original. El material parece «recordar» su forma original y volver a ella después de deformarse, de ahí el nombre de aleación con «memoria de forma». Por lo tanto, los cables son capaces de ejercer fuerzas extraordinariamente grandes para su tamaño y pueden hacer que se desencadenen movimientos diminutos y controlados en cualquier tecnología inteligente que los ingenieros hayan incorporado a estos diminutos músculos artificiales.

Paul Motzki explica la potencia muscular de estos diminutos haces de cables de la siguiente manera: «El SMA de níquel-titanio tiene la mayor densidad de energía de todos los mecanismos de accionamiento conocidos, por lo que al utilizar este material, somos capaces de ejercer una fuerza de tracción sustancial en espacios muy pequeños». Un cable con un grosor de solo medio milímetro puede ejercer una tracción de unos 100 newtons, que es aproximadamente la fuerza ejercida por 10 kg. Pero los investigadores utilizan haces de cables mucho más delgados y ultrafinos, ya que más cables significan una mayor superficie y, por lo tanto, velocidades de enfriamiento más rápidas. Esto significa que los «músculos» de alambre pueden proporcionar movimientos rápidos de alta frecuencia y una fuerza de tracción estable. El equipo de ingeniería de Saarbrücken ostenta un récord mundial en este campo: utilizando un haz de 20 alambres ultrafinos, cada uno con un diámetro de solo 0,025 mm, pueden ejercer 5 newtons de fuerza a una frecuencia de 200 hercios (es decir, 200 ciclos por segundo). En algunas aplicaciones, el tamaño de la fuerza ejercida es lo más importante, en otras es la frecuencia con la que se aplica la fuerza. Utilizando los conocimientos adquiridos tras varios años de investigación, el equipo de Motzki es capaz de adaptar la composición de los haces de cables en términos de grosor y número de cables por haz para satisfacer los requisitos de aplicaciones específicas.

Mediante estrategias innovadoras de control y diseño, los ingenieros están desarrollando accionamientos que utilizan cables SMA para crear robots industriales ligeros, maniobrables y compatibles con salas blancas. La tecnología se perfecciona continuamente en proyectos de investigación y doctorado, lo que ha permitido a los investigadores de Saarbrücken desarrollar sistemas de pinzas elásticas con «dedos» muy flexibles que pueden adaptarse rápidamente a los cambios de forma de una pieza de trabajo.

Las pinzas convencionales suelen basarse en la retroalimentación de los sensores, pero la tecnología desarrollada en Saarbrücken es autosensora: las propiedades del sensor ya están integradas en el sistema. El sistema está controlado por un chip semiconductor. «Los alambres con memoria de forma actúan eficazmente como sensores totalmente integrados que nos proporcionan todos los datos necesarios. Un sistema de IA correlaciona con precisión los datos de resistencia eléctrica con una deformación particular de los alambres. Como resultado, el sistema siempre conoce la posición exacta de cada haz de alambres con memoria de forma. Las redes neuronales entrenadas con datos son capaces de calcular la información posicional de manera eficiente y precisa incluso ante influencias disruptivas», explica Paul Motzki. Por lo tanto, los ingenieros pueden programar el sistema para que realice movimientos de alta precisión. Al especificar los valores de resistencia eléctrica, pueden controlar los cables según sea necesario. «A diferencia de los robots industriales estándar que se utilizan hoy en día, la reprogramación es rápida y fácil con nuestro sistema e incluso se puede hacer sobre la marcha cuando sea necesario. La pinza puede adaptarse a la geometría de diferentes piezas de trabajo mientras funciona», afirma Motzki.

El prototipo de pinza de mordazas desarrollado para aplicaciones industriales se mueve con rapidez y precisión milimétrica. La pinza sujeta la pieza de trabajo de forma segura con un agarre similar al de una tenaza, de modo que un sistema de manipulación con brazo robótico puede maniobrar la pieza de trabajo hasta su destino deseado. El prototipo que se exhibe en la Feria de Hannover de este año puede ejercer una fuerza de cuatro newtons, pero la tecnología es escalable en términos de tamaño, recorrido de la mordaza y fuerza. Las propiedades de autodetección de los cables SMA permiten controlar la posición y el estado precisos de las pinzas sin necesidad de sensores externos adicionales. Además, las pinzas son capaces de mantener la pieza de trabajo en su posición sin necesidad de suministrar energía. Dependiendo de la aplicación de agarre, la tecnología de Saarbrücken puede lograr un ahorro de energía de más del 90 % en comparación con las pinzas neumáticas convencionales que se utilizan en la actualidad.

Otro prototipo es una pinza de vacío que tiene dedos de agarre flexibles con ventosas de succión de vacío situadas en las puntas de los dedos. Aquí también, todo lo que se necesita es un breve impulso eléctrico para generar y liberar posteriormente un vacío de carga. El mecanismo de la pinza de vacío se consigue disponiendo haces de cables SMA ultrafinos en un músculo circular alrededor de un disco metálico delgado que puede hacerse girar hacia arriba o hacia abajo, como un clicker de rana. Al aplicar un impulso eléctrico, los cables del «músculo» se contraen y el disco cambia de posición, tirando de una membrana de goma que crea un vacío si las puntas de los dedos de la pinza están en contacto con una superficie. Una vez más, no se necesita electricidad para mantener la pieza de trabajo en su sitio, incluso si la pinza sostiene un objeto pesado en ángulo durante un período prolongado. «Y la función de autodetección significa que nuestro sistema tiene integrado un control de estado, de modo que la pinza sabe si el vacío creado es suficiente para soportar la carga», dice Motzki.

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