Robot saltador de 30 metros de UC Santa Barbara establece nuevo récord de altura

Un saltador mecánico desarrollado por el profesor de ingeniería de University of California Santa Barbara Elliot Hawkes y colaboradores es capaz de alcanzar la mayor altura — aproximadamente 100 pies (30 metros) — de cualquier saltador hasta la fecha, ingenieril o biológico. La hazaña representa un enfoque fresco al diseño de dispositivos saltadores y avanza la comprensión del salto como forma de locomoción.

«La motivación vino de una pregunta científica», dijo Hawkes, quien como roboticista busca entender los muchos métodos posibles para que una máquina pueda navegar su entorno. «Queríamos entender cuáles eran los límites en saltadores ingenieriles». Mientras hay siglos de estudios en saltadores biológicos (seríamos nosotros en el reino animal), y décadas de investigación en saltadores mecánicos mayormente bio-inspirados, dijo, las dos líneas de indagación se han mantenido algo separadas. «No había habido realmente un estudio que compare y contraste los dos y cómo sus límites son diferentes — si los saltadores ingenieriles están realmente limitados a las mismas leyes que los saltadores biológicos», dijo.

Los sistemas biológicos han servido largo tiempo como primeros y mejores modelos para locomoción, y eso ha sido especialmente cierto para el salto, definido por los investigadores como «movimiento creado por fuerzas aplicadas al suelo por el saltador, manteniendo una masa constante». Muchos saltadores ingenieriles se han centrado en duplicar los diseños provistos por la evolución, y con gran efecto.

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

«Los sistemas biológicos solo pueden saltar con tanta energía como puedan producir en una sola contracción de su músculo», dijo Xaio. Así, el sistema está limitado en la cantidad de energía que puede dar para impulsar el cuerpo fuera del suelo, y el saltador solo puede saltar tan alto.

Para saltadores ingenieriles, sin embargo, los investigadores pensaron que podría haber una forma de aumentar la cantidad de energía disponible.

Usan motores que trinquetan o rotan para dar muchas contracciones, multiplicando la cantidad de energía que pueden almacenar en su resorte. Los investigadores llamaron a esta capacidad «multiplicación de trabajo», que puede encontrarse en saltadores ingenieriles de todas las formas y tamaños.

«Esta diferencia entre producción de energía en saltadores biológicos versus ingenieriles significa que los dos deberían tener diseños muy diferentes para maximizar altura de salto», dijo Xiao. Los animales deberían tener un resorte pequeño — solo suficiente para almacenar la cantidad relativamente pequeña de energía producida por su única contracción muscular — y una gran masa muscular. En contraste, los saltadores ingenieriles deberían tener un resorte tan grande como sea posible y un motor diminuto.

Los investigadores tomaron estos insights y diseñaron un saltador muy distinto a los biológicos — el tamaño de su resorte relativo a su motor es casi 100x mayor que el encontrado en animales. Además, idearon un nuevo resorte, buscando maximizar su almacenamiento de energía por unidad de masa. En su resorte híbrido tensión-compresión, arcos de compresión de fibra de carbono son comprimidos mientras bandas de goma son estiradas por el tirón de una línea envuelta alrededor de un husillo impulsado por motor. El equipo encontró que vincular los bordes hacia afuera de los arcos a través del medio con goma en tensión también mejoraba la fuerza del resorte.

«Sorprendentemente, la goma hace el resorte de arco-compresión más fuerte», dijo Hawkes. «Puedes comprimir el resorte más sin que se rompa».

El saltador está diseñado para ser ligero, con un mecanismo de enganche minimalista para liberar la energía para el salto, y también aerodinámico, con las patas plegándose para minimizar arrastre aéreo 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 315g — y alcanzar la altura de aproximadamente 100 pies en las demostraciones de los investigadores. Para saltadores impulsados por motor, esto es «cerca del límite factible de altura de salto con materiales actualmente disponibles», según el estudio.

Este diseño y la capacidad de exceder los límites establecidos por diseños biológicos sientan las bases para la reimaginación del salto como forma eficiente de locomoción de máquina. Robots saltadores podrían llegar a lugares donde solo robots voladores alcanzan actualmente.

Los beneficios serían aún más pronunciados fuera de la Tierra. Robots saltadores podrían viajar a través de la Luna o planetas eficientemente, sin lidiar con obstáculos en la superficie, mientras también acceden a características y perspectivas que no pueden alcanzarse por robots basados en terreno.

«Calculamos que el dispositivo debería poder superar 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 básicamente no hay arrastre aéreo. «Eso sería un gran salto para saltadores ingenieriles».