¿Cómo los actuadores reforzados con fibras controlan la deformación en sistemas suaves?

$$\lambda_1^2 \cos^2(\alpha) + \lambda_2^2 \sin^2(\beta) = 1$$

$$V = \lambda_2^2 \lambda_1 \pi r^2 l$$

$$\beta \theta l | \beta \sin(\alpha) \sqrt{1 - \lambda} \cos(\alpha) - \alpha | = r$$

El resultado de esta ecuación puede utilizarse para calcular el avance (extensión por rotación) del actuador reforzado con fibras durante la actuación, encontrando la solución cerrada:

La deformación por flexión es más compleja y no puede ser fácilmente capturada por el modelo analítico cerrado desarrollado por Kota et al. (Bishop-Moser y Kota, "Diseño y modelado de actuadores neumáticos suaves reforzados con fibras"). Sin embargo, la fuerza debido a la presión aplicada se puede escribir como:

donde $\chi$ es uno de los ángulos entre $\alpha$ y $\beta$, que está más alejado de la dirección axial.

Los cuatro modos de deformación que emergen de los cilindros reforzados con fibras son la expansión axial, la expansión lineal, el torsionamiento y la flexión, como se captura en la Figura 3.5. Los ángulos específicos para cada modo de deformación se discuten en detalle en la literatura de investigación, capturando condiciones únicas, como los ángulos de bloqueo en los cuales no ocurre movimiento, y los ángulos críticos en los cuales ocurren las transiciones.

El principal desafío en estos actuadores es el proceso de fabricación. Las fibras que refuerzan la estructura deben ser integradas de manera eficiente en la estructura elastomérica sin restringir la capacidad de deformación del elastómero. Para ello, se debe seguir un proceso complejo que implica pasos como el vaciado del cuerpo elastomérico, la adición de una capa limitadora de deformación y las fibras de refuerzo, y finalmente la encapsulación de los elementos limitadores de deformación.

En el caso de los actuadores McKibben, un subtipo específico de actuadores reforzados con fibras, el funcionamiento del actuador se basa en una respuesta contráctil a la presión. Estos actuadores, también conocidos como músculos artificiales neumáticos (PAMs), consisten en un tubo elastomérico hueco reforzado con dos familias de fibras, una enrollada en espiral en sentido horario (CW) y la otra en sentido antihorario (CCW) con el mismo paso. La expansión radial de la cámara provoca una contracción axial lineal, lo que permite que funcione como un músculo artificial.

El interés en los actuadores McKibben radica en la facilidad con que se derivan las relaciones geométricas que rigen el comportamiento de la deformación de los actuadores. En un modelo matemático simple, el rendimiento de los actuadores McKibben está controlado por una entrada: la presión aplicada $P$ y dos parámetros de diseño principales: el ángulo de las fibras de refuerzo (o trenzado) $\alpha = \beta$, el área de la sección transversal del actuador $A$, y el módulo de Young del material elastomérico $Y$.

Al igual que con otros sistemas de actuadores, la integración de sensores en máquinas impulsadas por fluidos plantea desafíos adicionales. Estos sensores a menudo requieren energía eléctrica y proporcionan señales eléctricas que deben ser interpretadas por sistemas electrónicos separados. Sin embargo, avances en otros tipos de máquinas suaves han dado lugar a enfoques híbridos, donde los fluidos pueden ser movidos por bombas suaves alimentadas por energía eléctrica, térmica o magnética, lo que permite que los sistemas sean más conformables y eficientes.

¿Cómo se desarrollan los robots suaves con propulsión fluida y qué diferencias existen entre los enfoques alternativos de combustión y eversion?

Los robots suaves impulsados por fluidos han emergido como una de las áreas más interesantes dentro de la robótica. Estos robots, en su mayoría, operan mediante actuadores neumáticos que se expanden o se deforman a medida que un fluido es inyectado en ellos. Sin embargo, a pesar de su versatilidad, las dificultades inherentes a la provisión de energía para estos sistemas han llevado a la exploración de alternativas novedosas. Dos enfoques alternativos notables son los sistemas de propulsión mediante combustión y los robots de tipo eversion.

Los sistemas de combustión, por ejemplo, ofrecen una solución radicalmente diferente al desafío de generar movimiento en los robots suaves. En lugar de depender de una bomba para mover fluidos, se introduce un combustible como el butano junto con oxígeno en una cámara de reacción diseñada específicamente para el robot. Al detonar la mezcla mediante una chispa, la reacción de oxidación del butano produce dióxido de carbono y vapor de agua, que se expanden rápidamente, generando un movimiento impulsivo que puede ser utilizado para la locomoción. Un caso destacado de esta técnica es el robot a escala de centímetros que puede realizar saltos, como se ejemplifica en la figura 3.8 del texto. Sin embargo, aunque la combustión puede generar movimientos de gran impulso, uno de los inconvenientes más importantes es que la cantidad de energía liberada puede resultar dañina para la estructura del robot. Además, la propulsión impulsiva tiene sus limitaciones, especialmente en términos de control preciso y repetibilidad del movimiento.

Por otro lado, los robots de tipo eversion presentan un enfoque completamente diferente para la locomoción. Estos robots se caracterizan por su capacidad para crecer de manera activa a medida que navegan por su entorno. Este fenómeno de crecimiento está impulsado por la aplicación de presión en una estructura de paredes delgadas invertidas. Al aumentar la presión en una parte del robot, se favorece la elongación de esa área, permitiendo que el robot avance de forma continua y controlada. A diferencia de otros robots suaves que se deforman de manera pasiva, los robots de eversion pueden controlar de manera precisa la dirección de su crecimiento, lo que les permite realizar movimientos complejos sin necesidad de mecanismos adicionales de propulsión. Esta tecnología, descrita por primera vez en 2017, ha permitido el desarrollo de robots capaces de navegar hacia fuentes de luz u otros estímulos, utilizando una cámara montada en la punta del robot para retroalimentación visual. La capacidad de dirigir el crecimiento asimétrico del robot le otorga un control preciso sobre su trayectoria, lo que lo hace útil en entornos donde los robots tradicionales podrían ser ineficaces.

Otro sistema ampliamente probado es el actuador McKibben, que también se basa en el principio de fluidos para generar movimiento. Estos actuadores funcionan mediante el inflado de una envoltura de malla que provoca la contracción de un tubo elástico. Al igual que los PneuNets, los actuadores McKibben tienen aplicaciones prácticas, especialmente en el campo de la robótica blanda, donde se necesita una fuente de movimiento suave pero potente.

Es crucial que el lector entienda que, aunque estas tecnologías están avanzando rápidamente, todavía existen importantes desafíos en términos de durabilidad, control preciso y autonomía energética. La combinación de la investigación sobre actuadores fluidos con enfoques como la combustión y la eversion podría, en el futuro, revolucionar los sistemas robóticos suaves, pero la tecnología aún necesita superar obstáculos relacionados con la estabilidad y la eficiencia operativa. Además, el diseño de robots con fluidos implica una estrecha interacción entre materiales, procesos químicos y mecánicos, lo que hace que cada enfoque tenga sus ventajas y limitaciones particulares.

¿Cómo optimizar el diseño de elastómeros magnetoactivos para mejorar su rendimiento y versatilidad?

El comportamiento de los compuestos magnéticos suaves basados en polímeros elastoméricos con partículas magnéticas duras incrustadas depende de varios factores, incluyendo la fracción volumétrica de partículas magnéticas en la matriz. A medida que la fracción de partículas aumenta, se observa un incremento exponencial en el módulo de Young del compuesto (Y), lo que da lugar a una mayor rigidez del material. Este fenómeno, ilustrado en la figura 6.5B, tiene implicaciones clave para el rendimiento de los actuadores, especialmente en términos de deformación libre y densidad de energía.

En cuanto a la modalidad de actuación, el tipo de campo magnético aplicado juega un papel crucial. Un campo magnético uniforme genera un par de torsión que alinea las partículas magnéticas con la dirección del campo. Sin embargo, un campo no uniforme no solo genera un par de torsión, sino también una fuerza que actúa sobre las partículas individuales. Como se ilustra en la figura 6.6, la aplicación de un campo magnético no uniforme genera una mayor curvatura en una viga compuesta debido a la fuerza resultante, lo que incrementa la deformación. La actuación aumenta a medida que el material se deforma para alinear su magnetización remanente con el campo aplicado.

El uso de campos magnéticos para actuar sobre estos elastómeros abre nuevas posibilidades en el campo de la robótica no atada, como se observa en los robots blandos basados en materiales magnéticos (ver figura 6.7), que pueden emplearse en el transporte activo de gotas, locomoción en entornos no estructurados, estructuras de tensegridad y auxéticas, y superficies ajustables. Estos dispositivos también han demostrado ser útiles en la entrega controlada de fármacos y células, robots de cápsulas magnéticas para la entrega dirigida de fármacos, y efectores finales magnetizables para imágenes y procedimientos intervencionistas.

Por otro lado, los elastómeros magnetoactivos pueden ser diseñados para actuar como sensores o sistemas de adhesión controlables. En términos de sensores, pueden detectar deformaciones como estiramientos, compresiones o flexiones. La alineación de las partículas magnéticas dentro del elastómero cambia con estas deformaciones, alterando sus propiedades magnéticas, lo cual puede ser detectado mediante sensores de campo magnético, como los sensores de efecto Hall. Esta propiedad permite aplicaciones en sensores táctiles y sensores de movimiento portátiles. De manera similar, los MAE pueden utilizarse como sensores de presión o fuerza, ya que la variación de la distancia entre las partículas magnéticas bajo una fuerza aplicada provoca un cambio medible en el campo magnético interno.

Por otro lado, los elastómeros magnetoactivos pueden utilizarse también como superficies de adhesión controlables. Al aplicar un campo magnético, se puede modificar la interacción de las partículas con las superficies cercanas, permitiendo que se adhieran o se despeguen según sea necesario. Estas propiedades de adhesión controlada tienen aplicaciones potenciales en dispositivos de seguridad, como sistemas antimanipulación y sensores de proximidad en la automatización industrial, así como en la navegación y el mapeo de campos magnéticos.

Además, se debe considerar la capacidad de actuadores como los robots blandos basados en elastómeros magnetoactivos para funcionar sin cables, lo que abre una gama de aplicaciones en entornos donde la movilidad y la flexibilidad son fundamentales. Estos robots pueden realizar tareas complejas como la manipulación de objetos delicados, exploración de espacios confinados o incluso en aplicaciones biomédicas para la administración de fármacos de manera más precisa y controlada.

¿Cómo las plantas inspiran las máquinas blandas en robótica?

Ejemplos de tropismos incluyen:

• Fototropismo: crecimiento o movimiento hacia la luz.

• Gravitropismo: crecimiento o movimiento influenciado por la gravedad, ya sea hacia ella o en su dirección opuesta.

• Skototropismo: crecimiento o movimiento alejado de la luz.

• Tigmotropismo: crecimiento en respuesta al toque, como ocurre en las plantas trepadoras, hacia el lugar del estímulo táctil.

Por otro lado, si la dirección del estímulo no influye en el comportamiento, entonces se tienen respuestas násticas como:

• Tigmonastia o seismonastia: respuesta nástica de una planta o hongo al toque o vibración.

• Nyctinastia: movimiento nástico basado en el ritmo circadiano de las plantas superiores en respuesta a la llegada de la oscuridad.

• Otros tipos de respuestas násticas son posibles ante diversos estímulos, tales como la temperatura (termonastia), especies químicas (quemonastia), entre otras.

Desde la perspectiva de la robótica blanda, los mecanismos más relevantes son aquellos que responden a los cambios en el entorno, como las variaciones en la humedad relativa, y las respuestas a estímulos externos. En las plantas, los materiales sensibles a la humedad suelen ser tejidos muertos, y el mecanismo de reacción se basa en la hinchazón y contracción de las paredes celulares. Este comportamiento se observa en plantas como la planta de resurrección del desierto, espigas de erodium, semillas de trigo, los pappi de diente de león, cápsulas de semillas de la planta de hielo y las vaina de semillas de Bauhinia variegata. En contraste, los materiales que responden mecánicamente son células vivas, y la respuesta se debe a los cambios en la presión de turgor. Un ejemplo de hidronastia es el comportamiento del diente de león (Taraxacum officinale), específicamente su pappus, la estructura en forma de sombrilla que está unida a las semillas. Este comportamiento exhibe una respuesta sensible a la humedad, donde sus filamentos se abren en condiciones secas y se cierran en ambientes húmedos.

Este movimiento es impulsado por el movimiento higroscópico, donde los cambios en la humedad causan una expansión y contracción diferencial en los tejidos de la planta. En el aire seco, los filamentos se abren, optimizando la dispersión por el viento, mientras que en alta humedad, los filamentos se cierran para reducir la resistencia al aire y asentar la semilla. Este movimiento es el resultado de una hinchazón asimétrica y contracción del tejido del pappus, donde un lado absorbe la humedad más rápido que el otro, lo que causa la flexión.

Las plantas logran movimientos rápidos mediante tres estrategias biomecánicas distintas: mecanismos de transición bistable, mecanismos de liberación por fractura y mecanismos de liberación por cavitación. Cada modo depende de principios físicos diferentes para almacenar y liberar energía de manera eficiente, permitiendo movimientos rápidos a pesar de la falta de actuadores de movimiento rápido en las plantas.

1. Mecanismos de transición bistable: este modo depende de inestabilidades elásticas donde la energía mecánica almacenada se libera de repente cuando una estructura cambia entre dos estados estables. Las plantas acumulan energía elástica en una estructura previamente tensada, que, al ser activada, experimenta una transición de cambio, produciendo un movimiento rápido. El ejemplo clásico es la trampa de la planta Dionaea muscipula (Venus atrapamoscas), cuyas lóbulos de la trampa están naturalmente curvados en una forma convexa cuando están abiertos. La estimulación de los pelos disparadores altera la presión interna de turgor, llevando los lóbulos a un umbral crítico, lo que provoca una inversión instantánea de la trampa, cerrándose en aproximadamente 100 milisegundos, capturando eficientemente la presa con mínima pérdida de energía.

2. Mecanismos de liberación por cavitación: el movimiento basado en cavitación ocurre cuando la presión negativa en los vasos de xilema o células especializadas llenas de agua lleva a la formación repentina de burbujas de vapor (cavitación), lo que resulta en un colapso rápido y la liberación de energía. Un ejemplo conocido es el mecanismo de dispersión de esporas en helechos (Polypodiaceae), cuyos casos de esporas dependen de una fila de células llenas de agua en el anillo. A medida que estas células pierden agua debido a la evaporación, aumenta la tensión hasta que ocurre la cavitación. Esta formación instantánea de burbujas colapsa el anillo, impulsando las esporas al aire.

3. Mecanismos de liberación por fractura: las plantas pueden generar movimiento rápido utilizando la fractura mecánica para liberar energía elástica almacenada. En esta estrategia, una estructura vegetal mantiene energía en una posición tensa o bloqueada, que se libera de forma repentina cuando un punto débil o zona de fractura cede. Un ejemplo de dispersión explosiva de semillas es el de la planta Impatiens (o planta toc- me-not), que depende de la tensión acumulada en las paredes del fruto hasta que estas ceden, liberando la energía almacenada.

Este tipo de estudio de las plantas es esencial no solo para la robótica blanda, sino también para comprender cómo estos principios pueden ser replicados en máquinas que requieren movimientos precisos y eficientes sin la necesidad de complejos sistemas mecánicos. A través del estudio de estos mecanismos naturales, se abre un campo de posibilidades infinitas para crear dispositivos que imiten las funciones biológicas de las plantas, pero con la capacidad de interactuar y adaptarse a su entorno de manera más eficiente.