Autor: Daniel García Rodríguez.

Los seres vivos han sufrido durante millones de años cambios evolutivos, que han favorecido la supervivencia del más apto en entornos específicos, mediante la especialización en tareas concretas. Muchas de estas tareas tienen aplicación en nuestros días, lo que lleva a la llamada robótica bioinspirada, que busca en la biología y todo aquello que la concierne una forma de mejorar y crear nuevos robots que puedan realizar tareas con una mayor eficiencia, por lo que es objeto de este artículo presentar algunos casos llamativos en los que la naturaleza ha servido de inspiración para crear asombrosos y originales robots.

Abigaille-III el robot gecko.

Los geckos presentan en las patas numerosas vellosidades microscópicas de queratina denominadas setas, que les permiten adherirse a numerosas superficies independientemente de su composición o rugosidad. Estudios confirman que esta adhesión es debido a fuerzas de Van Der Waals, un tipo de fuerza intermolecular muy débil pero que debido a la alta densidad superficial de setas que presenta el gecko es suficiente para mantenerlo adherido a las superficies. Este principio se ha utilizado de forma exitosa para la fabricación de adhesivos secos, muchos más óptimos para la implementación en robots escaladores que opciones como la succión, los imanes o las garras. 

Este es el tipo de adhesivos que utiliza el robot Abigail – III desarrollado por científicos e investigadores de la Facultad de Ciencias de la ingeniería en la universidad Simon Fraser de Canadá. Este no constituye el primer robot que utiliza adhesivos secos, ya que presenta predecesores exitosos como el Rigid Gecko Robot (RGR), el Compliant Gecko Robot (CGR) o el Geckbot que imitan el método de escalada de los geckos. Ni tan poco es el primer robot hexápodo que implementa este método de escalada, ya que los robots Abigaille -I, Abigaille -II, también son robots hexápodos con adhesión seca. Pero este increíble robot supone una mejora en cuanto a desplazamiento y optimización de la escalada ya que puede desplazarse por superficies verticales, asi como cambiar entre superficies verticales y horizontales indistintamente. Permite variar su configuración entre 6 o 5 patas, aumentando su velocidad (6 patas) o la seguridad de la escalada (5 patas). La ventaja de usar varias patas en lugar de ruedas u orugas es la garantía de que el robot quedará adherido a la superficie si una de las patas falla. Los científicos de la universidad de Simon Frase determinaron que la posición óptima de Abigaille – III sobre la superficie, es con 4 patas adelantas y una en la parte trasera, que le confiere un ascenso eficaz y seguro.

Abigaille-III, un robot hexápodo, utilizando adhesivos secos inspirados en geckos para trepar una pizarra blanca vertical (Han et al., 2022).
Esquema en CAD del Abigaille-III en una pared, 4 patas delante y 2 atrás (Han et al., 2022).

El robot Abigaille – III presenta un motor por pata, lo que le permite el desprendimiento activo, así como motores más potentes y formas más voluminosas que sus predecesores.

Pero la adhesión no es la única inspiración basada en los geckos de este robot, para reducir la tensión que experimenta cada una de las patas estas se mueven hacia atrás durante el ascenso al igual que un gecko usa su cola al escalar, evitando que se caiga, dando una muestra, que el diseño más eficiente y perfecto de escalada será el del propio gecko.

Robots basados en Caenorhabditis elegans.

Cuando pensamos en formas para el desplazamiento de robots (robots móviles) lo más común es pensar en ruedas, patas o incluso en orugas. En este caso la inspiración biológica ha llevado a desarrollar robots cuyo patrón de movimiento se basa en un nemátodo, concretamente en el Caenorhabditis elegans, un gusano redondo que se desplaza de forma sinusoidal.

Imagen transversal del gusano que muestra que las células musculares forman cuatro cuadrantes de filas musculares a lo largo de su cuerpo: dos filas en el lado dorsal y dos en el ventral (Yuk et al., 2011).

Este diseño permitiría a los robots acceder a zonas donde otros métodos de locomoción no resultan viables, así como lodos, fluidos y medios de difícil acceso y su simplicidad permitiría la miniaturización del robot con la posibilidad de su aplicación en medicina. Este es el trabajo que han realizado científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. La ventaja de este robot respecto a los basados en otras especies reptantes, como las serpientes, es que los esquemas de movimiento se imitan de una forma sencilla, en comparación con los robots reptantes que usan motores lineales como actuadores. Para conseguir lograr de forma satisfactoria el movimiento sinusoidal propio de estos gusanos, se ha utilizado un tipo de SMA térmico (Shape Memory Alloy), es decir una aleación con memoria de forma, ya que su capacidad de funcionamiento binario simula los movimientos de contracción y relajación de las células musculares que permiten al C. elegans desplazarse de forma tan característica.

Imagen de los modos de movimiento del robot con 12 segmentos corporales (Yuk et al., 2011)

Robots vegetales autorregulados.

Cuando uno piensa en modelos biológicos cuyo comportamiento u anatomía sirvan de base para el desarrollo tecnológico no suele pensar en las plantas, ya que su movilidad, y respuesta a estímulos externos parece más limitada que la de por ejemplo los animales. Pero las plantas y los vegetales presentan particularidades que resultan excelentes en ciertos campos de aplicación. Esto es lo que pensaron investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Bilkent (Ankara), que estudiaron como implementar la autorregulación de las plantas (homeostasis) en los robots. Concretamente se centraron en la capacidad de las plantas para seguir el sol (heliotropismo) y para abrir las hojas (nictinastia). Las plantas presentan movimientos flexibles y versátiles, características idóneas para la fabricación de robots blandos. En esta ocasión crearon un robot totalmente blando y autorregulable mediante hidrogeles adheridos a las articulaciones de estas plantas artificiales.

Campo de robots planta. Esta imagen ha sido modificada respecto a la original (Cezan et al., 2020).

Gracias a la expansión / desexpansión del gel basado en el transporte de agua (traspiración) al recibir luz el hidrogel se calienta deshidratándose lo que provoca la contracción, y de forma análoga absorbe agua expandiéndose con la ausencia de luz.

Aplicando este proceso las plantas robots se doblan y abren sus hojas en función de la luz incidente. Para conseguir la retroalimentación se conectan las raíces del robot vegetal a un depósito que sirve como fuente continua de agua.

Este diseño tiene numerosas aplicaciones, siendo la más interesante la posibilidad de implementar este método en sistemas fotovoltaicos. Estas plantas robots formarían así parte de la base de las placas solares, lo que permitiría crear auténticos “girasoles” que orientarían las placas de forma automática en su forma más óptima para la incidencia solar.

Planta de papel como un seguidor solar. Foto e ilustración esquemática del sistema de robot de papel autorregulado, en el que se integra un panel solar delgado (Flexible Solar Panel SP3-37; PowerFilm) en el robot planta de papel. Esta imagen ha sido modificada respecto a la original (Cezan et al., 2020).

Robot ardilla.

Las ardillas no solo se caracterizan por presentar un aspecto entrañable, su forma de moverse entre los árboles y su agilidad las hace objeto de estudio en centros de investigación de todo el mundo. Es el caso del Siena College, donde investigadores del departamento de Biología estudiaron la forma de enderezamiento de las ardillas cuando se encuentran en caída o realizan un salto, concretamente a la ardilla gris oriental. Las ardillas utilizan su cola de largo tamaño para poder orientarse antes de caer.  En primer lugar, estabilizan su cabeza para poder fijar el lugar de aterrizaje en su visión y después la giran cola para inducir un contra momento que les ayude a estabilizarse en el aire, y a reducir las rotaciones que puedan sufrir durante la caída o saltos mal planificados

Definición del ángulo de flexión de la cola (Fukushima et al., 2021).

Aunque la cola de las ardillas es extremadamente ligera, aproximadamente el 3% de su masa corporal, el pelaje de la cola de la Ardilla gris oriental constituye el 55% de su tamaño, lo que le permite influir considerablemente en su momento angular. Esta densidad de pelaje varia de unas especies a otras, lo que influye en la aerodinámica de cada una de ellas.

Este estudio permitió el desarrollo de un robot considerablemente similar a una ardilla y que pone en práctica las bases del enderezamiento aéreo de las ardillas, y los fundamentos físicos que dan pie a ello. 

Visión general del robot similar a una ardilla (Fukushima et al., 2021).

Conclusión

Todos estos casos constituyen solo algunos de los ejemplos de cómo la naturaleza y sus creaciones tienen todavía mucho por enseñarnos, y que estudiando los animales, plantas y el resto de maravillosos seres que nos rodean podemos dar solución a problemas de la ingeniería robótica moderna y de la ciencia.

Enlaces de interés

  • ¿Cómo se enderezan las ardillas durante una caída inesperada? El rol de la cola. MaiCopperWings (2019, octubre 15). [Video]. YouTube.
    Resumen: En este video, se muestra el efecto de la cola sobre la estabilidad de una ardilla al saltar de un árbol a otro.
    Disponible en: https://youtu.be/tNa-04QgHtU
  • ¿Cómo suben los geckos por las paredes? Inspiración para la robótica. Autumn, K. (2018, enero 15). [Video]. YouTube. Canal Sigma Documentaries.
    Resumen: Este video explica cómo los geckos utilizan fuerzas de Van der Waals en sus patas para adherirse a superficies lisas, un fenómeno que se está aplicando en la creación de robots escaladores.
    Disponible en: https://youtu.be/tss8zYFiodQ
  • Abigaile-III: El robot que escala paredes inspirado en geckos. European Space Agency (2013, diciembre). [Video]. European Space Agency.
    Resumen: En este video, se muestra al robot Abigaile-III, un sistema robótico inspirado en los geckos, demostrando su capacidad para escalar superficies verticales utilizando garras diseñadas para imitar la adhesión de estos reptiles.
    Disponible en: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2013/12/Abigaile-III_climbing_robot/(lang)
  • La aleación con memoria de forma en acción. (2012, septiembre 18). [Video]. TED-Ed.
    Resumen: Un video que ilustra el funcionamiento de los materiales con memoria de forma usados en la creación de robots gusanos.
    Disponible en: https://youtu.be/yR-6_lS9vts

Referencias

  1. Abad, P. (2002). Nematodos: Viajeros entre mundos. Naturalmente: Revista de Divulgación del Museo Nacional de Ciencias Naturales, 22, 8–11. https://www.mncn.csic.es/sites/default/files/2019-12/nm22_08_nematodos.pdf
  2. Autumn, K., Sitti, M., Liang, Y. A., Peattie, A. M., Hansen, W. R., Sponberg, S., Kenny, T. W., Fearing, R., Israelachvili, J. N., & Full, R. J. (2002). Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(19), 12252–12256. https://doi.org/10.1073/pnas.192252799
  3. Cezan, S. D., Baytekin, H. T., & Baytekin, B. (2020). Self-regulating plant robots: Bioinspired heliotropism and nyctinasty. Soft Robotics, 7(4), 444–450. https://www.liebertpub.com/doi/full/10.1089/soro.2019.0036
  4. Fukushima, T., Siddall, R., Schwab, F., Toussaint, S. L. D., Byrnes, G., Nyakatura, J. A., & Jusufi, A. (2021). Inertial tail effects during righting of squirrels in unexpected falls: From behavior to robotics. Integrative and Comparative Biology, 61(2), 589–602. https://doi.org/10.1093/icb/icab023
  5. Han, Q., Ji, A., Jiang, N., Hu, J., & Gorb, S. N. (2022). A climbing robot with paired claws inspired by gecko locomotion. Robotica, 40(10), 3686–3698. https://doi.org/10.1017/S0263574722000492
  6. Yuk, H., Kim, D., Lee, H., Jo, S., & Shin, J. H. (2011). Shape memory alloy-based small crawling robots inspired by C. elegans. Bioinspiration & Biomimetics, 6(4), 046002. https://doi.org/10.1088/1748-3182/6/4/046002

Artículo finalista del VIII Concurso de Artículos de Divulgación Científica de la Universidad de Burgos.