Imagínese instrumentos quirúrgicos flexibles que puedan girar en todas las direcciones como brazos de pulpo en miniatura, o qué tal tentáculos robóticos grandes y potentes que puedan trabajar estrechamente y con seguridad con los trabajadores humanos en las líneas de producción. Una nueva generación de herramientas robóticas está empezando a hacerse realidad gracias a una combinación de "músculos" fuertes y "nervios" sensibles creados a partir de materiales poliméricos inteligentes.

Un equipo de investigación dirigido por los expertos en materiales inteligentes, el profesor Stefan Seelecke y el profesor junior Gianluca Rizzello, de la Universidad de Saarland, está explorando los aspectos fundamentales de este apasionante campo de la robótica blanda.

En la fábrica del futuro, el hombre y la máquina trabajarán codo con codo, en armonía, como un equipo, uniendo fuerzas siempre que sea necesario, como si el robot colaborador fuera de carne y hueso. Aunque los robots colaborativos ("cobots") ya se están implantando en las líneas de producción industrial, el verdadero trabajo en equipo mano a mano entre los robots y sus homólogos humanos aún está lejos. El problema radica en la proximidad física de los colaboradores humanos, cuyas acciones -a diferencia de las de un robot- no siguen algoritmos predecibles. Un trabajador humano puede cansarse o distraerse y actuar de forma repentina o incluso ilógica. Esto tiene claras implicaciones para la seguridad y explica por qué los brazos robóticos que se utilizan actualmente en las líneas de producción suelen estar alojados en jaulas. Para cualquiera que se acerque demasiado, las cosas pueden ponerse peligrosas. Los robots industriales suelen ser máquinas grandes y pesadas. Pero también son potentes, rápidos y ágiles y se utilizan para una amplia gama de operaciones, como soldar, ensamblar, pintar, apilar y levantar. Sin embargo, los movimientos que ejecutan están dictados en su totalidad por los programas que los controlan. Y si alguien se interpone en su camino o se acerca demasiado, las consecuencias pueden ser graves.

El equipo dirigido por el profesor Stefan Seelecke y el profesor junior Gianluca Rizzello de la Universidad de Saarland y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de la Automatización (ZeMA) de Saarbrücken está trabajando en nuevos tipos de brazos robóticos inteligentes. Nuestra tecnología se basa en sistemas de polímeros inteligentes y nos permite crear nuevas herramientas robóticas blandas que son más ligeras, maniobrables y flexibles que los componentes rígidos que se utilizan actualmente", explica Stefan Seelecke. Un empujón accidental de uno de estos brazos robóticos del futuro sería más parecido a un empujón de un compañero de trabajo humano (y menos probable que te lleve al hospital).

El material utilizado para estos nuevos brazos robóticos blandos es un tipo especial de polímero conocido como "elastómero dieléctrico". Los investigadores de Saarbrücken utilizan este material compuesto para crear músculos y nervios artificiales. Las propiedades especiales de los elastómeros dieléctricos permiten desarrollar sistemas inspirados en los ingeniosos diseños de la naturaleza. Estos elastómeros pueden comprimirse, pero luego pueden estirarse para recuperar su forma original. Imprimimos electrodos en ambas caras del material elastómero. Cuando aplicamos un voltaje, los dos electrodos se atraen entre sí, comprimiendo el polímero y haciendo que se expanda lateralmente", explica el Dr. Gianluca Rizzello, profesor junior de sistemas adaptativos basados en polímeros. El investigador italiano trabaja en el equipo de Seelecke desde 2016. Así, el elastómero puede contraerse y relajarse, como el tejido muscular. Aprovechamos esta propiedad para diseñar nuestros actuadores", explica Rizzello. Variando con precisión el campo eléctrico, los ingenieros pueden hacer que el elastómero ejecute vibraciones de alta frecuencia o movimientos de flexión continuamente variables, o incluso que permanezca inmóvil en una determinada posición intermedia deseada.

Los investigadores combinan entonces un gran número de estos pequeños "músculos" para crear un brazo robótico flexible. Cuando se combinan de este modo para formar un tentáculo robótico, la interacción entre los músculos produce movimientos que imitan los de un brazo de pulpo que puede girar en todas las direcciones. A diferencia de las pesadas y rígidas extremidades robóticas que se utilizan actualmente y que, al igual que los humanos, sólo pueden ejecutar movimientos en determinadas direcciones, estos nuevos tentáculos robóticos son libres de moverse en casi cualquier dirección. Gianluca Rizzello, junto con su estudiante de doctorado Johannes Prechtl, ganaron recientemente el premio a la mejor ponencia en la conferencia RoboSoft 2021 por su trabajo de desarrollo de un prototipo de tentáculo basado en el elastómero dieléctrico, uno de los numerosos reconocimientos obtenidos por el equipo de investigación del profesor Seelecke. El equipo espera tener el prototipo de tentáculo completamente desarrollado dentro de un año aproximadamente.
Cuando se trata de dotar de inteligencia a los materiales poliméricos, Gianluca Rizzello es todo un experto. Proporciona a la unidad de control (es decir, al "cerebro" del robot) los datos necesarios para mover el brazo de forma inteligente, una tarea muy compleja y ambiciosa. Estos sistemas son mucho más complejos que los brazos robóticos actuales. Utilizar la inteligencia artificial para controlar componentes basados en polímeros es mucho más difícil que controlar sistemas mecatrónicos convencionales", explica Rizzello. Como los músculos de elastómero también tienen propiedades sensoriales, pueden actuar como los nervios del sistema, lo que significa que el brazo robótico no necesita estar equipado con sensores adicionales. Cada distorsión del elastómero, cada cambio en su geometría, provoca un cambio en la capacitancia del material, lo que permite al equipo asignar un valor preciso de capacitancia eléctrica a cualquier deformación específica del elastómero. Al medir la capacitancia, sabemos exactamente qué forma ha adoptado el elastómero, lo que nos permite extraer datos del sensor", explica Rizzello.

Estos datos cuantitativos pueden utilizarse para modelar y programar con precisión el movimiento del brazo de elastómero". El trabajo de investigación de Rizzello se centra en el desarrollo de algoritmos inteligentes que puedan entrenar estos novedosos tentáculos robóticos para que se muevan y respondan de la manera requerida. Intentamos descubrir qué propiedades físicas son las responsables del comportamiento de estos polímeros. Cuanto más sepamos, más precisos podremos diseñar los algoritmos para controlar los músculos de elastómero", afirma el Dr. Rizzello.

La tecnología que se está desarrollando en el Sarre será escalable. Puede utilizarse para crear tentáculos en miniatura para instrumentos médicos o para fabricar grandes brazos robóticos para aplicaciones industriales. Pero a diferencia de los pesados brazos robóticos que se utilizan hoy en día, las extremidades robóticas construidas con elastómeros inteligentes serán mucho más ligeras. Nuestros brazos robóticos no necesitan ser accionados por motores ni por sistemas hidráulicos o neumáticos, sino que pueden funcionar simplemente con la aplicación de una corriente eléctrica. Además, los músculos de elastómero se pueden fabricar con formas que cumplan los requisitos de una aplicación concreta. Y consumen muy poca energía eléctrica. Dependiendo de la capacitancia, las corrientes eléctricas que fluyen están en el rango de los microamperios. Este tipo de tecnología de robots blandos es muy prometedora para el futuro, ya que su fabricación es eficiente desde el punto de vista energético y rentable", resume Stefan Seelecke.

Esta investigación cuenta con el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) a través del programa prioritario SPP2100 "Sistemas robóticos de materiales blandos".