Los gusanos y los resortes inspiran avances revolucionarios en la robótica blanda

Investigadores de Georgia Tech han logrado una hazaña impresionante: un robot blando de 5 pulgadas que puede lanzarse 10 pies en el aire, alcanzando la altura de un aro de baloncesto, a pesar de no tener piernas. El diseño se inspira en el modesto nematodo, un gusano redondo microscópico más delgado que un cabello humano, conocido por saltar muchas veces la longitud de su cuerpo.

Este gusano almacena energía elástica apretando su cuerpo en espirales apretadas y luego la libera repentinamente para impulsarse hacia arriba o hacia atrás como un acróbata. Los ingenieros replicaron este movimiento con su robot «SoftJM», una varilla de silicona flexible reforzada con una columna vertebral rígida de fibra de carbono. Al alterar la forma en que se dobla, el robot puede lanzarse hacia adelante o hacia atrás, todo ello sin ruedas ni patas.

En acción, este robot bioinspirado se enrolla como un velocista en un bloque de salida antes de enderezarse explosivamente para saltar. Las imágenes a alta velocidad revelan cómo el gusano curva la cabeza hacia arriba y dobla la parte media del cuerpo para saltar hacia atrás, y luego se endereza y dobla la cola para saltar hacia adelante.

El equipo de Georgia Tech descubrió que estas curvas pronunciadas, que suelen ser problemáticas en mangueras o cables, permiten tanto al gusano como al robot almacenar mucha más energía. Como explicó un investigador, una pajita doblada es inútil, pero un gusano doblado se comporta como un resorte cargado. En el laboratorio, el robot blando reprodujo con éxito este mecanismo: pellizca su parte media o su cola, acumula tensión y la libera en una explosión que dura aproximadamente una décima de milisegundo para elevarse en el aire.

El auge de los robots blandos

La robótica blanda es un campo relativamente nuevo pero en rápido crecimiento que a menudo busca inspiración en la naturaleza. A diferencia de las máquinas metálicas rígidas, los robots blandos están construidos con materiales flexibles que pueden comprimirse, estirarse y adaptarse a su entorno. Entre los trabajos pioneros se encuentra el Octobot de Harvard, un robot totalmente autónomo fabricado íntegramente con silicona y canales de fluido, sin piezas rígidas, inspirado en la musculatura del pulpo. Desde entonces, los ingenieros han desarrollado toda una serie de máquinas blandas, desde rastreadores con forma de gusano y pinzas gelatinosas hasta exotrajes portátiles y rodillos inspirados en las enredaderas.

Por ejemplo, los investigadores de Yale diseñaron un robot blando inspirado en las tortugas, cuyas extremidades pasan de ser aletas flexibles a «patas terrestres» rígidas para nadar o caminar. En la Universidad de California en Santa Bárbara, los científicos crearon un robot similar a una enredadera que crece hacia la luz utilizando únicamente una «piel» sensible a la luz, extendiéndose a través de espacios estrechos como el tallo de una planta. Estas y otras innovaciones inspiradas en la biología demuestran cómo los materiales blandos permiten formas de movimiento completamente nuevas.

Los defensores de esta tecnología argumentan que los robots blandos pueden acceder a entornos que están fuera del alcance de los robots tradicionales. La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. destaca que las máquinas blandas adaptables «exploran espacios antes inaccesibles», incluido el interior del cuerpo humano. Algunas cuentan con «pieles» programables que alteran la rigidez o el color para camuflarse o agarrarse. Los ingenieros también están explorando técnicas como el origami/kirigami y los polímeros con memoria de forma, que permiten a estos robots reconfigurarse sobre la marcha.

Ingeniería de movimiento flexible

Diseñar un robot blando que se mueva como un animal plantea retos importantes. Sin articulaciones rígidas ni motores convencionales, los ingenieros deben basarse en las propiedades de los materiales y la geometría inteligente. Por ejemplo, el robot saltador de Georgia Tech necesitaba una columna vertebral interna de fibra de carbono dentro de su cuerpo de goma para generar suficiente fuerza elástica. La integración de sensores y sistemas de control también es compleja. Como señalan los ingenieros de Penn State, la electrónica rígida tradicional inmovilizaría a un robot blando.

Para que su pequeño robot de rescate «inteligente» pudiera arrastrarse, distribuyeron meticulosamente circuitos flexibles por todo su cuerpo para preservar la flexibilidad. Incluso la alimentación supone un reto: algunos robots blandos utilizan campos magnéticos externos o aire a presión, ya que llevar una batería pesada impediría su movimiento.

Los robots blandos inspirados en los nematodos de Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Otro obstáculo es aprovechar la física correcta. El equipo del robot nematodo descubrió que los pliegues son beneficiosos. Mientras que un pliegue detiene el flujo en un tubo de goma estándar, en un cuerpo blando similar a un gusano, genera gradualmente presión interna, lo que permite una mayor flexión antes de la liberación. A través de simulaciones y experimentos con modelos de globos llenos de agua, los investigadores demostraron que su diseño flexible podía almacenar una energía elástica considerable al doblarse y liberarla en un salto rápido. El resultado es notable: desde una posición de reposo, el robot puede saltar repetidamente 3 metros de altura simplemente flexionando su columna vertebral. Estos avances en el almacenamiento y la liberación de energía dentro de materiales elásticos son emblemáticos de la ingeniería de la robótica blanda.

Saltadores y ayudantes del mundo real

¿Qué aplicaciones prácticas tienen estos robots blandos? En teoría, pueden operar en situaciones demasiado peligrosas o confinadas para las máquinas rígidas. En zonas de desastre, por ejemplo, los robots blandos podrían moverse bajo los escombros o dentro de estructuras derrumbadas para localizar a los supervivientes. Penn State demostró un prototipo de robot blando controlado magnéticamente capaz de navegar por escombros estrechos e incluso por canales del tamaño de vasos sanguíneos.

En medicina, los robots blandos microscópicos podrían administrar medicamentos directamente dentro del cuerpo. Un estudio del MIT imaginó un robot blando delgado como un hilo que se desplaza por las arterias para eliminar coágulos, lo que podría tratar los accidentes cerebrovasculares sin necesidad de cirugía invasiva. Los investigadores de Harvard también están desarrollando exoesqueletos blandos que se pueden llevar puestos, como una manga inflable ligera que ayudó a un paciente con ELA a levantar un hombro, mejorando instantáneamente su rango de movimiento.

Las agencias espaciales también están interesadas en los saltadores blandos. Las ruedas pueden atascarse en la arena o en las rocas, pero un robot saltador podría saltar por encima de cráteres y dunas. La NASA está conceptualizando novedosos saltadores para la Luna y las lunas heladas. Uno de los conceptos, un robot del tamaño de un balón de fútbol llamado SPARROW, utilizaría chorros de vapor de hielo vaporizado para saltar muchos kilómetros a través de Europa o Encélado. En la baja gravedad de estas lunas, un pequeño salto cubre una gran distancia: un salto de un metro en la Tierra podría propulsar a un robot cien metros en Encélado. La visión es que enjambres de estos saltadores atraviesen terrenos alienígenas «con total libertad», donde los rovers con ruedas se quedarían atascados. En la Tierra, los futuros saltadores blandos podrían ayudar en misiones de búsqueda y rescate saltando por encima de ríos, barro o terrenos inestables que detendrían a los robots convencionales.

Los robots blandos también están encontrando aplicaciones en la industria y la agricultura. La NSF destaca su potencial como asistentes colaborativos seguros en fábricas y granjas, ya que ceden al entrar en contacto con una persona. Los investigadores incluso han creado pinzas blandas que recogen con delicadeza frutas frágiles sin magullarlas. La flexibilidad inherente a estas máquinas les permite operar en espacios demasiado pequeños o flexibles para dispositivos rígidos.

En última instancia, los expertos creen que la robótica blanda transformará numerosos campos. Desde gusanos hasta trajes portátiles y saltadores lunares, esta línea de investigación demuestra cómo el estudio de pequeñas criaturas puede conducir a grandes avances tecnológicos.