21/05/2013 - Microrrobots modulares que imitan comportamientos de seres biológicos

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Un equipo de investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), liderado por Ernesto Gambao, ha dado vida mecánica a una serie  de elementos microrrobóticos que suponen una novedad respecto de otras creaciones realizadas hasta el momento en este ámbito: su heterogeneidad y una arquitectura de control basada en algoritmos genéticos que reflejan la evolución de las especies.

Prácticamente todos los robots existentes imitan en mayor o menor medida algunas de las cualidades de los seres vivos. “Los microrrobots que hemos desarrollado lo hacen en su funcionamiento, pero también es cierto que su sistema de control está igualmente basado en la forma en que los seres vivos toman decisiones”, explica Gambao. “La arquitectura de control global se fundamenta  en comportamientos y cada comportamiento se ocupa de una de las características del microrobot. La capa de comunicación es necesaria para lograr que tanto los módulos como los distintos comportamientos puedan trabajar en objetivos comunes, obteniendo una visión homogénea de un conjunto heterogéneo para conseguir los objetivos de todo el robot”.
 

Un sistema propio de control y comunicaciones

El equipo, que pertenece al Departamento de Automática de la UPM, define su invención como un microrrobot heterogéneo, multiconfigurable y de tipo cadena, formado por un conjunto de módulos, de manera que permite una funcionalidad superior a la simple suma de cada uno de ellos. Desde que comenzaran con este trabajo en 2005, los investigadores han desarrollado todos los módulos con un elemento común: un sistema propio de control y comunicaciones que les permite reconocerse a la hora de ensamblarse.

“La capa de comunicación es necesaria para lograr que tanto los módulos como los distintos comportamientos de estos puedan trabajar en objetivos comunes, obteniendo una visión homogénea de un conjunto heterogéneo para conseguir los objetivos de todo el robot”, indica Gambao

Para conseguir que estas células básicas se comuniquen entre sí, a fin de crear un elemento más complejo cuya funcionalidad sea superior a la simple suma de las capacidades de cada una de ellas, ha sido necesario dotar a cada módulo de un pequeño sistema de control y de una interfaz de comunicación que es común a todos ellos. Esta interfaz permite la conexión de los distintos elementos, tanto mecánica como eléctrica.

En la conexión eléctrica se incluye un sistema de comunicación, de forma que esta comunicación se produce de módulo a módulo como si hubiese un paso de testigo entre ellos. El resultado final es que el sistema de control central del microrrobot recibe información de cada módulo y la envía a cada uno de ellos formando un conjunto final heterogéneo pero interconectado.
 

Moverse como un gusano para ahorrar energía

Otra cuestión fundamental abordada en la investigación es cómo deberían moverse los microrobots según la superficie en que tienen que operar. “Puesto que las tareas a realizar por los microrobots iban a ser muy diversas, decidimos desarrollar diferentes sistemas de locomoción en función de si se deseaba alta velocidad, capacidad de giro o bajo consumo de energía”, señala Gambao. “El objetivo ha sido siempre que los microrrobots fueran totalmente autónomos, pero la tecnología de suministro de energía actual, basada en baterías, reduce mucho el máximo tiempo de la misión del microrrobot, por lo que esto es algo debemos mejorar en un futuro. Sin duda la autonomía es uno de los principales problemas”.

La duración de las baterías tuvo mucho que ver a la hora de elegir el tipo de locomoción de estas creaciones mecánicas, ya que la más eficiente variaría en función de las tareas que tendrían que desarrollar. Así, los investigadores comprobaron que el movimiento tipo gusano, basado en un principio de extensión-contracción, era el que menor consumo de energía requeriría para el caso específico de desplazarse en el interior de una tubería.

En el caso de los microrobots modulares creados por el equipo, el movimiento gusano lo consiguen mediante dos módulos de soporte, usados para fijar al microrobot a las paredes de la tubería, y un módulo de extensión, usado para extender y contraer el robot (hacer que avance) y para girar a izquierda y derecha. Como contrapunto, este sistema de locomoción tiene la desventaja de una reducida velocidad.

En tuberías rectas, el sistema más rápido y eficiente es el movimiento en helicoidal. También se plantearon el movimiento tipo serpiente que, aunque es menos eficiente, era el más versátil, dado que funciona en entornos muy diversos.
 

Aplicaciones prácticas

Más adelante, los investigadores liderados por Gambao llegaron al convencimiento de que estos microrrobots modulares podrían tener otras nuevas aplicaciones  prácticas, además de la inspección de tuberías de pequeño diámetro. “La experiencia adquirida con los primeros prototipos nos permitió advertir que los sistemas de locomoción desarrollados para el movimiento dentro de tuberías resultaban asimismo adecuados para moverse fuera de ellas, de forma que los prototipos y la arquitectura de control pueden también usarse en movimientos en espacio abierto. En cualquier caso, debido a su tamaño, los microrrobots son especialmente útiles para tareas de inspección y mantenimiento de pequeñas cavidades donde no es posible introducir sistemas de mayor tamaño”.

A medida que la investigación avanzaba iban solucionando los distintos problemas a los que se enfrentaban. “Cuando comenzamos la investigación en estos robots, el tamaño de los mismos constituía un importante reto en sí mismo”, afirma Gambao. “Era necesario pensar en actuadores, sensores, sistemas de control y comunicaciones capaces de integrarse en un tamaño reducido. Esta es la base del concepto mecatrónico, donde los diseños mecánico, eléctrico y de control quedan entrelazados y deben abordarse como un conjunto y no de manera independiente”.

Los investigadores han expuesto todas estas experiencias en congresos de robótica y a través de artículos científicos en diversas revistas internacionales de gran prestigio. Y prometen seguir aportando nuevas contribuciones en la medida que su investigación avance.

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Universidad Politécnica de Madrid

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