Un enjambre de robots de cuatro patas atraviesa terrenos difíciles:juntos

En los primeros días de la cuarentena, la profesora e ingeniera en robótica de Notre Dame, Yasemin Ozkan-Aydin, aprovechó el tiempo en casa para armar robots.

Ozkan-Aydin desarrolló sistemas colaborativos de patas que maniobran en terrenos complejos, como equipo.

Para moverse por terrenos accidentados y espacios reducidos, Ozkan-Aydin propuso que una conexión física entre robots podría mejorar la movilidad. Si un robot individual, por ejemplo, no puede mover un objeto por sí solo, ¿por qué no hacer que los robots formen un sistema más grande de varias patas para completar la tarea?

Después de todo, eso es lo que hacen las hormigas.

“Cuando las hormigas recolectan o transportan objetos, si una se encuentra con un obstáculo, el grupo trabaja colectivamente para superar ese obstáculo. Si hay una brecha en el camino, por ejemplo, formarán un puente para que las otras hormigas puedan cruzar, y esa es la inspiración para este estudio”, dijo Ozkan-Aydin en un comunicado de prensa reciente . "A través de la robótica, podemos obtener una mejor comprensión de la dinámica y los comportamientos colectivos de estos sistemas biológicos y explorar cómo podríamos usar este tipo de tecnología en el futuro".

Con una impresora 3D, Ozkan-Aydin construyó robots de cuatro patas que medían entre 15 y 20 centímetros de largo.

Cada robot incluía una batería de polímero de litio, un microcontrolador y tres sensores. Junto con un sensor de luz, dos sensores táctiles magnéticos en la parte delantera y trasera de cada robot permiten que los sistemas se conecten.

Cuatro patas flexibles redujeron la necesidad de sensores y piezas adicionales y dieron a los robots un nivel de inteligencia mecánica, lo que ayudó a la hora de interactuar con terrenos accidentados o irregulares.

"No necesita sensores adicionales para detectar obstáculos porque la flexibilidad de las piernas ayuda al robot a pasarlos", dijo Ozkan-Aydin. “Pueden buscar huecos en un camino, construyendo un puente con sus cuerpos; mover objetos individualmente; o conectarse para mover objetos colectivamente en diferentes tipos de entornos, no muy diferentes a las hormigas”.

Ozkan-Aydin comenzó su investigación para el estudio a principios de 2020, cuando gran parte del país se cerró debido a la pandemia de COVID-19. Después de imprimir cada robot, Ozkan-Aydin probó los sistemas inspirados en insectos en su jardín o en el patio de recreo con su hijo.

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El profesor de Notre Dame realizó experimentos en una variedad de terrenos, tanto naturales como fabricados. Los robots maniobraron a través y alrededor de la hierba, el mantillo, las hojas y las bellotas, así como las escaleras de espuma, las alfombras de pelo largo y el terreno accidentado de bloques de madera rectangulares pegados a tableros de partículas.

Cuando una unidad individual se atasca, envía una luz a robots adicionales para mostrar una solicitud de asistencia. Al detectar la luz, los robots ayudantes se conectan y brindan apoyo (un empujón mientras caminan juntos) para atravesar obstáculos con éxito mientras trabajan juntos.

"Después de que el robot auxiliar encuentra al robot buscador siguiendo el gradiente de luz, se conecta a él desde la parte posterior y los sensores táctiles de ambos robots, e informa al robot sobre el estado de la conexión", dijo el profesor Ozkan-Aydin a Resúmenes técnicos .

El equipo de investigación publicó recientemente sus resultados en Science Robotics .

Las próximas investigaciones se centrarán en mejorar las capacidades de control, detección y potencia del sistema.

En una breve sesión de preguntas y respuestas con Tech Briefs a continuación, Ozkan-Aydin explica qué pueden hacer los enjambres una vez que esas características son avanzadas.

Resúmenes técnicos :¿Cómo funcionan los sensores táctiles magnéticos? ¿Qué hacen, cómo se controlan?

Yasemin Ozkan-Aydin :Cada robot tiene dos conectores magnéticos, que incluyen dos imanes de neodimio de tierras raras con polaridad N-S, en la parte delantera y trasera del robot. El conector magnético en la parte posterior está conectado a la cola y su polaridad se puede invertir (S-N) moviendo la cola hacia arriba. Entonces, cuando la cola está hacia arriba, dos robots pueden conectarse entre sí y cuando la cola está hacia abajo, pueden separarse.

Resúmenes técnicos : Cuando se envía una señal de "ayuda" a un robot, ¿cómo sabe el robot de ayuda qué hacer y qué acciones tomar?

Yasemin Ozkan-Aydin :La señal de ayuda (encender la luz LED brillante en la parte posterior del robot) se envía a los robots auxiliares cuando el robot de búsqueda se atasca en las escaleras o en un terreno accidentado. El [estado] atascado es detectado por la intensidad de la luz medida por el robot buscador. Cuando el robot se atasca, no puede moverse hacia el objetivo (fuente de luz) y la intensidad de la luz no cambia. Los robots auxiliares siempre esperan la señal del robot buscador.

Por supuesto, hay limitaciones en nuestro sistema. Por ejemplo, si un robot auxiliar cae fuera del haz de un robot buscador, el robot auxiliar no puede encontrarlo. En el diseño futuro, la comunicación entre robots debería mejorarse utilizando otros tipos de sensores como el GPS. Sin embargo, a medida que aumenta la complejidad del sistema, los robots se vuelven más difíciles de controlar. Aquí, la inteligencia mecánica juega un papel importante.

Resúmenes técnicos :¿Qué significa aquí “inteligencia mecánica”? ¿Cómo interactúan exactamente? ¿Qué sucede cuando un robot se atasca en un obstáculo? ¿Cómo se envía una señal a robots adicionales?

Yasemin Ozkan-Aydin :La inteligencia mecánica significa que un mecanismo responde al entorno, se adapta a nuevas situaciones externas o realiza automáticamente algunas funciones sin ninguna retroalimentación sensorial o guía de un controlador. Cada robot tiene cuatro patas direccionalmente flexibles y una cola. Cuando la pata, o la cola, golpea un obstáculo, se dobla hacia atrás y cruza los obstáculos. Después de pasar el obstáculo, un resorte de retorno tira de la pata a su posición original. Esta flexión pasiva también aumenta el área de contacto, lo que permite que una pierna individual o la cola se enfrenten a un cambio en la aspereza del terreno, perdiendo el contacto con el suelo durante la fase de apoyo o pisando o golpeando un obstáculo durante la fase aérea.

Todos los robots tienen dos interruptores como sensores táctiles para detectar el estado de la conexión:uno en la parte delantera y otro en la parte trasera del robot. Cuando se conectan dos robots, el empujador en forma de cúpula unido a la cola toca los sensores de la cola del robot delantero y de la cabeza del robot trasero. Aunque no existe una comunicación de alto nivel (por ejemplo, el envío de coordenadas GPS de forma inalámbrica) entre los robots, los sensores táctiles permiten que cada robot sepa si está conectado con los demás robots. Además de los sensores táctiles, hay un sensor de luz o fototransistor en la parte inferior delantera de cada robot. Este sensor se utiliza para medir la intensidad de la luz del entorno y proporcionar comunicación local entre robots.

Resúmenes técnicos :¿Podría ampliar una o dos de las aplicaciones prácticas del mundo real? ¿Qué podría lograr el enjambre y cómo?

Yasemin Ozkan-Aydin :Un enjambre de robots con patas puede realizar tareas cooperativas del mundo real, como operaciones de búsqueda y rescate, aplicaciones agrícolas (como plantación y cosecha, monitoreo ambiental e inspección de cultivos, etc.), transporte colectivo de objetos y exploración espacial.

Resúmenes técnicos :Con respecto a alimentarlos, ¿podría imaginar algún tipo de recolección de energía, digamos, basada en el movimiento?

Yasemin Ozkan-Aydin :Este es un punto muy importante que debe mejorarse en el diseño futuro. Tal vez se pueda unir un mecanismo de recolección de energía (como materiales piezoeléctricos) a las piernas de los robots, y pueden recolectar energía mientras caminan, o cada robot puede tener un panel solar para cargar sus baterías. Otra opción es que solo uno de los robots pueda estar equipado con un mecanismo de recolección de energía, para reducir el costo total, y pueda transmitir la energía a los otros robots.

Resúmenes técnicos :¿Qué inspiró este esfuerzo, especialmente modelos naturales?

Yasemin Ozkan-Aydin :Este estudio está inspirado en animales de múltiples patas, como ciempiés o milpiés, que pueden moverse de manera efectiva en diversos terrenos con cuerpos y extremidades flexibles y colectivos de hormigas que pueden autoorganizarse y crear estructuras, como puentes, para resolver problemas.

Resúmenes técnicos :¿Cómo buscas mejorar los robots?

Yasemin Ozkan-Aydin :Actualmente, los robots están limitados por un rango de comunicación limitado. Con una comunicación mejorada entre los individuos, esperamos que las unidades (cuadrúpedos) del enjambre puedan coordinarse correctamente y cambiar su modo de andar según las condiciones ambientales o las tareas que realizan. Además, las dimensiones de los robots se pueden escalar según las tareas a realizar.

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