25/01/2012 - Nanosensores. Tacto robótico casi humano

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Un método basado en mediciones de la fuerza de fricción podría llevar al desarrollo de sensores táctiles de alta precisión para cirugía, industria o robots espaciales.

Conseguir incorporar el sentido de la vista en los robots era todo un desafío para los investigadores hace treinta años. Hoy es un reto superado pero los robots están aún lejos de interpretar eficazmente todos los estímulos que les rodean, en parte porque carecen de un sentido del tacto avanzado.

Una propuesta de investigadores del Laboratorio de Física Estadística de la Universidad París 6 (UPMC) recientemente revisada por los investigadores estadounidenses Robert Carpick y Mathew Mate para la revista Nature, podría tener la clave. En su estudio, el equipo, coordinado por Alexis Prevost y Georges Debrégeas, sostiene que esta capacidad podría ser mejorada sustancialmente midiendo las variaciones en las fuerzas de fricción que se producen a escala nanoscópica al frotar un objeto de determinado relieve contra otro.  

Los investigadores explican en su artículo, publicado en la revista Physical Review Letters, que un diseño de sensores para robots que tuviera en cuenta los resultados de sus ensayos, realizados frotando contra cristales de varias rugosidades un bloque de elastómero con relieves que imitan las huellas dactilares, les permitiría obtener información de cómo son los objetos que han tocado a nanoescala, y produciría máquinas más precisas y prácticas.

A nivel microscópico, en cada pequeñísima área de contacto, al realizar una fuerza de arrastre se genera otra fuerza de fricción de sentido opuesto. Los investigadores esperaban detectar una variación de la fuerza de fricción provocada por los relieves del elastómero y, como había muchas ‘crestas’ en contacto, lo previsible era que esa variación se regularizase, es decir, tendiera a cero. Sin embargo, lo que observaron fue que no se cumplía la relación directa entre fuerza de fricción y fuerza de arrastre y, cuanto más rugosa era la superficie de contacto, más amplias eran las oscilaciones en esta fuerza de fricción inducida.

A partir de sus experimentos, los investigadores creen que diseñando sensores capaces de diferenciar estas variaciones de la fricción estándar sería mucho más fácil caracterizar con gran nivel de detalle la textura de los materiales. Así, un robot que tocara un objeto con unas huellas dactilares con determinados relieves podría ser capaz de distinguir superficies no muy diferentes en su rugosidad “a escalas mucho más pequeñas que la extensión de la superficie de contacto entre sus dedos y el objeto”, es decir, de forma similar a como lo hace la piel humana.

Imitar el sentido del tacto gracias a la información obtenida de las respuestas al rozamiento de diversos materiales podría ser muy útil, por ejemplo, para conseguir que los robots puedan agarrar firmemente objetos sin dañarlos, tal y como comentan Carpick, del departamento de Ingeniería Mecánica y Aplicada de la Universidad de Pennsylvania  y el investigador Mathew Mate, que trabaja en el centro de investigación de Hitachi en San José (California) en su revisión para Nature. Pero para desarrollar este tipo de robots capaces de sentir de forma tan precisa, hay que desarrollar previamente nuevos materiales y tecnologías.

En este sentido, Ramón Ceres, investigador del Centro de Automática y Robótica (CAR) del CSIC ha trabajado con los llamados polímeros PVDF que tienen propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas, es decir, son sensibles a la presión y la temperatura, respectivamente. “Al incidir con un perfil determinado sobre una mano robótica, y en función de la distribución de presiones generada, podíamos adquirir una imagen de ese campo de presiones”, explica Ceres.

Este mismo proceso podría aportar mucha información a una escala más pequeña si se aplicaran los descubrimientos del equipo de Prevost sobre las oscilaciones de las fuerzas de fricción inducidas por la textura de los objetos.  No obstante, según afirma Carpick, aunque el uso de los PVDF no es descartable, los materiales ideales para estas aplicaciones están aún por desarrollar. “Podrían ser nanomateriales diseñados para tener propiedades funcionales específicas”, comenta.

Uno de los problemas que habría que solucionar es la tendencia a la ‘adhesión’ al intentar palpar una superficie y la rápida degradación de esta, ya que, a pequeña escala, las fuerzas de adherencia y fricción son muy grandes. Por ello, la fabricación de materiales fiables, que puedan aguantar el uso, es decir, varias repeticiones del proceso de tocar y sentir, es un aspecto clave. “Quizá materiales basados en carbono como el diamante, que hemos estudiado ampliamente, serían ideales para esto”, concluye Carpick.

El equipo liderado por Prevost confía en que la medición de estas oscilaciones en las fuerzas de fricción puede ser  “fácilmente implementada en dispositivos sensoriales robóticos táctiles”, y de hecho, los sensores que serían necesarios para que los robots puedan ‘sentir’ a nanoescala ya existen. “Hay sistemas conectados a interfaces hápticos [relativos al conjunto de sensaciones  de contacto, no visuales o auditivas] que transmiten las fuerzas captadas por la punta nanoscópica de un microscopio de fuerza atómica a un operario humano.”, explica Carpick. Además de estos, el investigador predice que podrían existir otros tipos “basados en exploraciones locales como los microscopios de fuerza atómica, para medir temperatura y características espectroscópicas o eléctricas”. No obstante, esta tecnología no ha sido incorporada aún en sistemas robóticos.

Uno de los campos donde los investigadores pronostican un gran potencial de aplicación de este avance es la cirugía laparoscópica. "Los cirujanos tienen un campo de visión más o menos bueno moviendo la cámara adecuadamente - explica Ceres- pero echan de menos tener sensación de tacto en la herramienta, no saben si están cortando un material duro o blando, o si se les opone una cierta resistencia”. Carpick coincide en su valoración y apunta que la cirugía “requiere retorno de información constante y un sentido del tacto ultrafino” que podrían aportar este tipo de sensores táctiles.

En este tipo de intervenciones la distancia entre la mano y la herramienta que se introduce en el cuerpo puede ser de unos 40 o 50 centímetros, lo que provoca la pérdida de la sensación de tacto. La forma de incorporar esta tecnología a las tijeras, cánulas o bisturíes para que transmitan información al cirujano sobre lo qué está haciendo requeriría que los sensores fueran realmente pequeños y, además, biocompatibles.

Una vez dentro del cuerpo, lo ideal sería representar la información captada por los sensores de manera que fuese lo más útil posible para el facultativo, tal y como se hace actualmente con los datos que llegan de las cámaras, que son transformados en imágenes. “Tendrían que representarse como una sensación táctil, que es mucho más fácil de comunicar y más directamente aprovechable y natural que los números o datos brutos”, apunta Ceres.

Además de la medicina y de la industria en general, otras actividades podrían sacar partido del desarrollo de estos sistemas capaces de captar señales táctiles con alta precisión, entre ellas, el desmantelamiento de centrales nucleares o el manejo de residuos peligrosos, procesos donde muchas veces la información visual no es suficiente.

Según Ceres, a medida que los robots incorporen esa mayor capacidad sensorial podrán ser “más potentes”, por ejemplo, en manipulación de piezas, exploración submarina o extracción de muestras del fondo del océano. También en Marte, donde las órdenes tardan minutos en ir y volver a la Tierra y “no hay realimentación directa”, podrían ser útiles para analizar in situ la textura de las rocas.

Aunque los dispositivos con un sentido del tacto equiparable al humano están ahora un poco más cerca, la integración en estos futuros sensores táctiles de otras tecnologías ya existentes es crucial y aún no se ha abordado. “Serán necesarios múltiples sensores, un control posicional extremadamente preciso, aislamiento de la vibración y el ruido, control de la realimentación y una buena capacidad de lectura, y todo ello, a altas velocidades”, enumera Carpick, ilustrando el largo camino que queda por recorrer hasta sacar a los robots con un sentido del tacto humano del terreno de la ciencia ficción.
 

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