Aumentan la destreza de los robots con sensores ópticos

A simple vista puede parecer que para crear las manos de un robot basta con unas pinzas de metal o cualquier tejido robusto que las recubra. Sin embargo, las extremidades superiores son, en cierto modo, la frontera de la robótica, lo que les impide manipular objetos sabiendo lo que son y la presión que pueden ejercer sobre ellos.

No es de extrañar por tanto que numerosos equipos de investigación traten de encontrar la piel artificial más realista. Es lo que se conoce como robótica blanda, a partir de materiales mucho más elásticos y flexibles que los empleados en la robótica clásica.

Entre esas investigaciones se encuentra la de un equipo de la Universidad Carnegie Mellon (CNM) en Estados Unidos, que ha comprobado cómo los sensores ópticos se pueden adaptar para su uso en manos robóticas. Para demostrarlo ha desarrollado una mano robótica blanda con tres dedos y múltiples sensores de fibra óptica integrados, creando además un nuevo tipo de sensor óptico elástico.

Según explica la CMU en un comunicado, los investigadores consiguieron integrar 14 sensores de fibra óptica en cada uno de los dedos de la mano robótica, mejorando su capacidad de determinar aquello con lo que sus yemas entran en contacto y de detectar fuerzas menores a la décima parte de un newton. Y todo ello sin incorporar de momento el nuevo material flexible en esta versión, con lo que se conseguiría una piel robótica blanda para optimizar aún más la retroalimentación.

«Para conseguir robots que trabajen de forma autónoma, capaces de reaccionar con seguridad a fuerzas inesperadas en entornos cotidianos, se necesitan manos robóticas con más sensores de los que tienen hasta ahora», asegura Yong-Lae Park, profesor de Robótica que dirige el estudio. En cifras, la piel humana contiene miles de unidades sensoriales táctiles sólo en la yema del dedo, una araña tiene cientos de mecanorreceptores en cada pierna, mientras que hasta el humanoide más conseguido, como pueda ser el Robonaut de la NASA, sólo tiene 42 sensores entre la mano y la muñeca.

Los investigadores de Carnegie Mellon presentan la tecnología de su mano robótica, desarrollada con el apoyo de la NASA, en la Conferencia Internacional IEEE sobre Robots y Sistemas Inteligentes (IROS) que se celebra esta semana en Alemania.

Imitando la estructura ósea

Hasta ahora la suma de sensores de fuerza o de presión convencionales resulta problemática porque el cableado puede ser complicado, propenso a la rotura y susceptible a interferencias con motores eléctricos u otros dispositivos electromagnéticos. Sin embargo, una sola fibra óptica puede contener varios sensores.

En el caso del robot de CMU, todos los sensores de cada uno de los dedos de la mano están conectados con cuatro fibras aunque, en teoría, una sola fibra podría hacer el mismo trabajo. Además, a diferencia de los tradicionales, los sensores ópticos son impermeables a las interferencias electromagnéticas.

Los robots industriales, que trabajan en un entorno controlado donde apenas hay riesgos, son capaces de una manipulación muy precisa a pesar de sus sensores limitados. Sin embargo, el objetivo del equipo de la CMU y otros especialistas en Robótica es desarrollar robots blandos que pueden interactuar de forma rutinaria y segura con seres humanos, para lo que es fundamental una mayor sensibilidad a la fuerza y al tacto.

En esta investigación, cada uno de los dedos de la mano robótica imita la estructura ósea del dedo humano, dividida en tres partes, la punta, el nódulo central y el nódulo base, conectados por tres articulaciones que les dan la posibilidad de movimiento. Los «huesos» son impresiones 3D en plástico duro e incorporan ocho sensores para detectar la fuerza.

Cada una de las tres secciones está cubierta con una piel elástica de silicona blanda, integrada con seis sensores que detectan cualquier tipo de contacto. Un tendón activo trabaja para doblar el dedo, mientras un tendón elástico pasivo ejerce la fuerza opuesta para enderezarlo.

La mano incorpora sensores de fibra óptica de redes de Bragg (FBG), que se caracterizan por la variación de la longitud de onda de cada sensor dependiendo si trabaja a compresión o a tracción. Esto supone un menor consumo de los sensores frente a los tradicionales, la posibilidad de conectarlos en serie a un canal de medida, la inexistencia de señales eléctricas y, por tanto, la inmunidad a campos electromagnéticos o ruidos en señal, además de la posibilidad de transmitir datos a decenas de kilómetros.

Sensor elástico

A pesar de sus ventajas, los sensores ópticos convencionales no se estiran demasiado –las fibras de vidrio apenas se extienden y las de polímero no sobrepasan el 20-25 por ciento-. Este es un factor que limita dispositivos como una mano, que requieren amplitud de movimientos. Park y su equipo desarrollaron previamente sensores blandos microfluidos altamente estirables, unas membranas capaces de medir la fuerza mediante unos canales con líquido conductor. Sin embargo, no sólo resultaban difíciles de fabricar, sino que las fugas de líquidos podían ocasionar un desastre.

Para buscar una solución alternativa, trabajaron con estudiantes de Ingeniería Mecánica de la CMU y la Universidad de Texas, dando lugar a un sensor óptico altamente elástico y flexible a partir de una combinación de bandas elásticas de silicona disponibles en el mercado, revestidas con oro reflectante. Mientras las tiras de silicona se estiran, se crean grietas en la capa reflectante, permitiendo que la luz salga. Midiendo esa pérdida de luz, los investigadores son capaces de calcular la fuerza u otras deformaciones.

En palabras de Park, este tipo de sensor óptico flexible se podría incorporar a pieles blandas, permitiendo crear unas manos robóticas que no sólo sean capaces de detectar el contacto, como ya hacen las del CMU, sino también medir la fuerza.