Robot saltador salta a alturas récord

Un saltador mecánico desarrollado por el profesor de ingeniería Elliot Hawkes de la Universidad de California en Santa Bárbara y sus colaboradores es capaz de alcanzar la altura más alta, aproximadamente 30 metros (100 pies), de cualquier saltador hasta la fecha, diseñado o biológico. La hazaña representa un nuevo enfoque para el diseño de dispositivos de salto y avanza en la comprensión del salto como una forma de locomoción.

“La motivación provino de una pregunta científica”, dijo Hawkes, quien como especialista en robótica busca comprender los muchos métodos posibles para que una máquina pueda navegar en su entorno. “Queríamos entender cuáles eran los límites de los puentes de ingeniería”. Si bien existen siglos de estudios sobre saltadores biológicos (que seríamos nosotros en el reino animal), y décadas de investigación sobre saltadores mecánicos en su mayoría bioinspirados, dijo, las dos líneas de investigación se han mantenido algo separadas. "Realmente no ha habido un estudio que compare y contraste los dos y cómo sus límites son diferentes, si los saltadores diseñados están realmente limitados a las mismas leyes que los saltadores biológicos", dijo.

Los sistemas biológicos han servido durante mucho tiempo como los primeros y mejores modelos de locomoción, y eso ha sido especialmente cierto para los saltos, definidos por los investigadores como un "movimiento creado por fuerzas aplicadas al suelo por el saltador, mientras se mantiene una masa constante". Muchos puentes de ingeniería se han centrado en duplicar los diseños proporcionados por la evolución y con un gran efecto.

Pero los elementos que crean un salto en un sistema biológico pueden ser limitantes para los sistemas de ingeniería, dijo Charles Xaio, Ph.D. candidato en el laboratorio de Hawkes.

“Los sistemas biológicos solo pueden saltar con tanta energía como puedan producir en un solo movimiento de su músculo”, dijo Xaio. Por lo tanto, el sistema está limitado en la cantidad de energía que puede dar para empujar el cuerpo del suelo, y el saltador solo puede saltar tan alto.

Sin embargo, para los saltadores diseñados, los investigadores pensaron que podría haber una manera de aumentar la cantidad de energía disponible.

Usan motores que giran o giran para dar muchos golpes, multiplicando la cantidad de energía que pueden almacenar en su resorte. Los investigadores denominaron a esta capacidad "multiplicación del trabajo", que se puede encontrar en saltadores de ingeniería de todas las formas y tamaños.

“Esta diferencia entre la producción de energía en saltadores biológicos versus diseñados significa que los dos deberían tener diseños muy diferentes para maximizar la altura del salto”, dijo Xiao. Los animales deben tener un resorte pequeño, solo lo suficiente para almacenar la cantidad relativamente pequeña de energía producida por su único movimiento muscular, y una gran masa muscular. Por el contrario, los puentes diseñados deben tener un resorte lo más grande posible y un motor pequeño”.

Los investigadores tomaron estos conocimientos y diseñaron un saltador muy diferente a los saltadores biológicos:el tamaño de su resorte en relación con su motor es casi 100 veces mayor que el que se encuentra en los animales. Además, idearon un nuevo resorte, buscando maximizar su almacenamiento de energía por unidad de masa. En su resorte híbrido de tensión-compresión, los arcos de compresión de fibra de carbono se aplastan mientras que las bandas de goma se estiran tirando de una línea envuelta alrededor de un husillo accionado por motor. El equipo descubrió que unir los bordes de los arcos que se doblan hacia afuera en el medio con caucho en tensión también mejoró la resistencia del resorte.

“Sorprendentemente, el caucho hace que el resorte arqueado de compresión sea más fuerte”, dijo Hawkes. "Puedes comprimir más el resorte sin que se rompa".

El saltador está diseñado para ser liviano, con un mecanismo de cierre minimalista para liberar la energía para el salto, y también aerodinámico, con las piernas plegadas para minimizar la resistencia del aire durante el vuelo. En conjunto, estas características de diseño le permiten acelerar de 0 a 60 mph en 9 milisegundos (una fuerza de aceleración de 315 g) y alcanzar una altura de aproximadamente 100 pies en las demostraciones de los investigadores. Para los saltadores motorizados, esto está "cerca del límite factible de altura de salto con los materiales disponibles actualmente", según el estudio.

Este diseño y la capacidad de superar los límites establecidos por los diseños biológicos preparan el escenario para la reinvención del salto como una forma eficiente de locomoción mecánica. Los robots saltadores podrían llegar a lugares a los que actualmente solo llegan los robots voladores.

Los beneficios serían aún más pronunciados fuera de la Tierra. Los robots saltadores podrían viajar a través de la luna o los planetas de manera eficiente, sin lidiar con obstáculos en la superficie, al mismo tiempo que acceden a características y perspectivas que no pueden alcanzar los robots basados ​​en el terreno.

"Calculamos que el dispositivo debería poder despejar 125 metros de altura mientras salta medio kilómetro hacia adelante en la luna", dijo Hawkes, señalando que la gravedad de la luna es 1/6 de la de la Tierra y que básicamente no hay la resistencia del aire. "Ese sería un gran paso para los puentes de ingeniería".