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Microrobots: más pequeños que David, más fuertes que Goliat

Microrobots: más pequeños que David, más fuertes que Goliat
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La mayoría de especies de hormigas son capaces de levantar cincuenta veces su peso, por eso convertirse en Ant-man no es tan mala idea. Sin embargo, hay microrobots que desbancan a la mayoría de las hormigas, pues logran levantar miles de veces su peso. Y con un ejército de estos diminutos robots podríamos llegar a realizar toda clase de tareas, desde limpiar la casa hasta mover cualquier objeto de sitio.

Es lo que sostiene David Christensen, investigador de la Universidad de Stanford y especialista en la aplicación de microrobots para lograr fuerza bruta, en el siguiente vídeo.

Hemos desarrollado una serie de pequeños robots microremolcadores de un centímetro y medio y 12 gramos de peso capaces de mover dos mil veces su peso.

Más que fuerte

El modelo denominado µTug de 12 gramos puede cargar 2000 veces su propio peso. "En comparación, sería algo similar a un humano que puede arrastrar a una ballena azul", Christensen

El trabajo de Christensen se centra en dos grandes variantes de robots llamados MicroTugs: un robot de escalada de 9 gramos que puede subir un objeto con 10 newtons de carga, y un robot de 12 gramos que puede tirar de un objeto con 40 newtons de fuerza sobre una superficie horizontal.

O usando una analogía más clarificadora: robots de 9 gramos capaces de levantar por una pared de cristal un objeto de 1 kg a su espalda, el equivalente a que un humano escalara un rascacielos cargando con un elefante.

Por su parte, el modelo denominado µTug de 12 gramos puede cargar 2000 veces su propio peso. "En comparación, sería algo similar a un humano que puede arrastrar a una ballena azul", señala David Christensen. Es decir, que si este robot tuviera el tamaño de un ser humano, el equivalente sería arrastrar el animal más grande de todos los tiempos, con 120 toneladas de masa (mucho más que cualquier dinosaurio conocido).

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Aún más sorprendente, aunque las cifras relativas sean más reducidas, es el ejemplo de un microrobot de solo 20 miligramos (casi invisible para la vista): sería capaz de levantar hasta 500 miligramos, es decir, la masa de un clip de oficina.

Pero ¿cómo pueden ser tan fuertes unos robots tan minúsculos?

La naturaleza vino antes, nosotros la mejoramos

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A finales de la década de 1990, la escritora estadounidense de ciencias naturales Janine Benyus acuñó el término “bionímica” para referirse a las innovaciones tecnológicas inspiradas en la flora y la fauna de la Tierra, que ya han pasado por millones de procesos de prueba y error bajo la presión evolutiva darwiniana.

Esta tecnología se inspira en las patas adhesivas de los geckos, cuya estructura se puede reproducir a nivel nanoscópico

Por ejemplo, el velcro, inventado en la década de 1940 por el ingeniero suizo George de Mestral, fue inspirado por los pequeños cardos de puntas ganchudas de las bardanas que se habían enganchado en su perro y en su ropa. Biólogos del Laboratorio Nacional de Ingeniería y Medio Ambiente de Idaho (Estados Unidos) clonaron cinco proteínas de mejillón para desarrollar un adhesivo natural resistente al agua.

Los trenes bala Shinkansen de Japón que circulan a más de 300 kilómetros por hora se inspiran en su forma, apta para evitar los cambios de presión que supone entrar en túneles a semejante velocidad, en el cuerpo fusiforme del pájaro martín pescador, que penetra a gran velocidad en el agua sin apenas salpicar unas cuantas gotas.

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Del mismo modo, la tecnología desarrollada por Christensen se inspira en las patas adhesivas de los geckos, cuya estructura se puede reproducir a nivel nanoscópico. La respuesta, como diría Arquímedes, está en la firmeza del punto de apoyo: el pegamento cubre a unos pequeños picos de caucho que se agarran firmemente en la pared mientras el robot está escalando.

Cuando se aplica mayor presión, los picos de goma se doblan, incrementando su área de superficie y, en consecuencia, su adhesividad. Cuando el robot retrae su “pie”, los picos vuelven a su forma original otra vez, permitiendo una fácil separación.

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Gracias a este diseño, y a los materiales resistentes con los que están fabricados, los microrobots pueden adherirse con fuerza a las superficies y arrastrar un peso muy superior al propio, empleando para ello unos pequeños motores que recogen cable y que pueden arrastrar casi cualquier objeto.

Los robots también se mueven con un estilo inspirado en la naturaleza: como un gusano, una almohadilla desliza al robot hacia adelante mientras otra permanece estática soportando la carga pesada.

Christensen está convencido de que esta tecnología podrá ser útil en el transporte de objetos pesados en fábricas o en el ámbito de la construcción, y que también podrían ser cruciales en caso de emergencias: por ejemplo, se podría llevar una escalera de soga hasta una persona atrapada en un piso alto en un edificio en llamas, sin arriesgar la vida de los bomberos.

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El poder del grupo

El siguiente paso, el verdaderamente revolucionario, será el poner a estos robots a trabajar en equipo y utilizar lo que se denomina "inteligencia en enjambre", un terreno en el que se están obteniendo resultados asombrosos, pues permite que pequeños equipos autónomos pueden terminar sumando más que el esfuerzo individual de las partes. Además, al poderse imprimir en 3D, podríamos constituir un ejército de robots en unas pocas horas para un fin determinado. Como señala Christensen:

Creo que una de las metas es que, así como las hormigas pueden trabajar en equipo para conseguir tareas más grandes a lo que un individuo puede conseguir, en este caso sería interesante ver lo mismo, intentar encontrar maneras de repartir la carga eficientemente entre muchos muchos robots, quizá 10 ahora mismo, y ver qué tipo de fuerzas adicionales puedes aplicar al mundo de los humanos y mover cosas. Hipotéticamente quizá podríamos mover un coche este domingo y creo que esta es una meta interesante en la que nos gustaría pensar.

El concepto de inteligencia en enjambre no es nueva, pero por primera vez se está empezando a desarrollar a gran escala en esta primera aplicación exitosa presentada recientemente por Michael Rubenstein y sus colegas de la Universidad de Harvard.

El trabajo, publicado en la revista Science, muestra pequeños autómatas de pocos centímetros llamados Kilobots. Los Kilobtos están provistos de tres patitas de alambre, un motor que les permite el desplazamiento y un sensor de infrarrojos, y cada uno de ellos está diseñado para comunicarse con los tres o cuatro compañeros más cercanos. Cuando actúan en equipo son capaces de seguir instrucciones y colocarse, de forma sumamente coreografiada, formando una estrella o dibujando una gran letra K sobre una superficie.

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Estos sistemas auto-organizados, formados por cientos o miles de mentes simples que, en comunión, constituyen una mente colmena más inteligente que sus partes, poseen características muy ventajosas. En primer lugar, están descentralizados, es decir, que no necesariamente precisan de un cerebro central. En segundo lugar, son escalables: pueden añadirse un gran número de individuos. Y en tercer lugar, el sistema no falla aunque fallen algunos individuos, porque siempre prevalecerá el orden de la mayoría.

Como ha señalado Annjoe Wong-Foy, ingeniero de investigación en Instituto de Menlo Park, “es como tener un ejército de hormigas bajo tu control”.

Estos sistemas recuerdan, de hecho, a otro fenómeno de la naturaleza: las colonias de hormigas. Una organización como la presentada por SRI International y sus robots capaces de, coordinadamente, construir estructuras de alta resistencia, manejar pequeños componentes eléctricos o químicos y llevar a cabo muchas otras tareas de fabricación. El proyecto, financiado por la DARPA (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa), pretende avanzar en lo que la división del Departamento de Defensa llama “El proyecto de MicroFabricación de Macro Productos”.

En el futuro esperan que estos robots, el más pequeño de las cuales no es más grueso que una moneda de diez céntimos, incluso podrán construir versiones más pequeñas de sí mismos, sin la necesidad de intervención humana. Como ha señalado Annjoe Wong-Foy, ingeniero de investigación en Instituto de Menlo Park, “es como tener un ejército de hormigas bajo tu control”.

Tipos de grupos

Este nuevo concepto de módulos autónomos autoconfigurables varía en función de la cantidad de módulos necesarios para construir un robot más grande (la suma de todos los módulos) y el tamaño de esos módulos. Así podemos dividir los tipos formación de grupos de microrrobots en tres apartados:

  • Manada (con líder y jerarquías): los módulos se caracterizan por tener una fuerza comparable al tamaño del grupo y suelen contarse por decenas. Eso significa que el individuo es útil y resulta crucial que se coordine con los demás para lograr el objetivo del robot. Podemos compararlo con una manada de lobos, donde el rendimiento de cada lobo es importante para la superviviencia del grupo.
  • Rebaño (sin líder ni jerarquías): los módulos se cuentan por cientos y la fuerza de cada módulo es moderada en comparación con el tamaño del grupo. Los módulos, por sí mismos, no son gran cosa si actúan coordinadamente con los demás. Con todo, en estos sistemas hay suficiente redundancia como para permitir una coordinación menos estricta. Se pueden comparar con un rebaño de ovejas o de ciervos, donde la fuerza surge del número de individuos.
  • Enjambre: será probablemente el tipo de configuración más común. Consiste en miríadas de módulos débiles que tienen una influencia muy limitada a título individual. Solo tienen utilidad si están juntos y forman el robot completo. No hay un control centralizado, así que los módulos altamente autónomos. Los módulos viven y se desarrollan según sus propias reglas, como si fueran enjambres de abejas.

Aplicaciones de ciencia ficción

El equipo de Samuel Felton, de la Universidad de Harvard, ha diseñado un robot a partir de materiales fáciles de conseguir, un polímero con memoria desarrollado para contraerse a una temperatura de 100 ºC y cuyo sistema de plegado sigue una serie de pasos, autoensamblándose como si fuera un origami (la versión japonesa de la papiroflexia). Por ejemplo, en caso de catástrofe natural, un cargamento de cientos de estos robots ocuparía escaso espacio, ya que se pueden transportar plegados, y una vez en el lugar de los hechos serían capaces de situarse en masa en el escenario y ellos mismos se montarían y se pondrían en marcha.

La naturaleza, de nuevo, también pone de manifiesto ejemplos de autoensamblado similares, desde moléculas que forman estructuras sin guía externa, a los nidos que construyen algunos insectos.

Incluso podría ser un buen aliado en la exploración extraterrestre, pues el sistema podrá mantener cierto nivel de funcionalidad incluso si algunos módulos fallan.

Esta clase de configuraciones de robots todavía no tienen aplicaciones reales, pero están particularmente adaptadas para tareas de exploración, porque se puede aprovechar su versatilidad para adaptarse a terrenos y entornos diferentes: por ejemplo, adoptando distintos medios de locomoción (trepar, rodar, correr, nadar, etc). Estos tipos de microrobots, pues, serán idóneos para la búsqueda y rescate en edificios derrumbados, alcanzando lugares inaccesibles por otros medios, o también para la tarea de inespeccionar el alcantarillado de las ciudades.

Incluso podría ser un buen aliado en la exploración extraterrestre, pues el sistema podrá mantener cierto nivel de funcionalidad incluso si algunos módulos fallan. Un ejemplo concreto es el proyecto SuperBot, de Wei-Min Shen, director del Laboratorio de Robótica polimórfica de la Universidad del Sur de California (USC).

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El objetivo de SuperBot consistiría en aterrizar en un planeta, localizar un lugar apropiado donde plantar semillas y, finalmente, proteger las semillas en las primeras fases de su desarrollo. Hasta ahora SuperBot puede hacer combinaciones de dos, cuatro o seis patas, y se mueven como una serpiente o incluso como una oruga. El Superbot también puede repararse a sí mismo y viajar solo, ya que cada módulo es un robot independiente, que "habla" con otros a través de la radio y la comunicación por infrarrojos.

La NASA se ha mostrado interesada en SuperBot, un robot que podría aterrizar en un planeta y plantar semillas en el lugar más adecuado, protegiéndolas hasta su desarrollo

Varias agencias militares, así como la NASA, han mostrado interés en este desarrollo. En enero de 2014, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) otorgó al equipo de USC una subvención de un millón de dólares para adaptar sus "Superbot" robots reconfigurables para su uso en el espacio.

Los robots tipo manada son pequeños y ágiles, y eso es una ventaja para la exploración de ambientes, pero no para interactuar con ellos. En este caso serían necesarios sistemas más grandes y fuertes, como los robots tipo rebaño. Por ejemplo, un rebaño podría acceder a una cueva, encontrar muestras de rocas interesantes y transportarlas hasta el laboratorio para su análisis.

Las aplicaciones futuras en el campo de la medicina también revolucionarias. Por ejemplo, podríamos usar enjambres de robots en un vaso sanguíneo para que lleven a cabo una operación de cirugía, tal y como plantea Robert Freitas, investigador del Institute for Molecular Manufacturing, que ha creado glóbulos rojos artificiales, bautizados como respirocitos, unos nanorrobots esféricos que imitan la acción de la hemoglobina natural que se encuentra en el interior de los glóbulos rojos, aunque con la capacidad de liberar hasta 236 veces más oxígeno por unidad de volumen que un glóbulo rojo natural.

Freitas también ha diseñado microbívoros, tal y como explica el embajador de la Singularity University Juan Martínez-Barea en su libro El mundo que viene:

fagocitos mecánicos concebidos para destruir cualquier microbio del torrente sanguíneo humano. Según estima su creador, los microbívoros podrían actuar hasta 1.000 veces más rápido que las defensas naturales del cuerpo humano en la eliminación de microbios nocivos.

Realidad metamorfoseable

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Pero quizá la idea más ambiciosa para este tipo de sistemas sería la creación de líneas de producción metamorfoseables en el sector indutrial. El transporte, clasificación, manipulación y montaje de objetos podría ser llevado cabo por una manada de robots capaz de adaptar su forma y configuración a las demandas cambiantes de la línea de producción.

Podremos pensar en los enjambres de robots como en un nuevo material de construcción automática

En un futuro próximo, de hecho, podremos pensar en los enjambres de robots como en un nuevo material de construcción automática. Las cosas que nos rodean, pues, podrán convertirse en otras cosas, metamorfosearse al instante como un gusano en una mariposa. Dos sillas podrían convertirse en un sofá, por ejemplo, o transformarse en una mesa y una silla. Y tal vez pueda, a su vez, convertirse en una alfombra, si es lo que necesitamos.

Tal y como asegura Jesse L. Silverberg, de la Universidad de Cornell, mediante la combinación de técnicas de origami, metamateriales, cristalografía y programación de materiales se diseñarán dispositivos más versátiles y fáciles de construir que nunca antes en la historia.

Estos materiales convertibles solo han podido imaginarse en las películas de ciencia ficción más inverosímiles, pero los microrobots autoconfigurables podrían hacerlo realidad. Sería como hacer sacar de la pantalla del cine a los Transformers o el metal líquido polimórfico que constituye el T-1000 de Terminator 2. La ventaja es que no vendrán a matarnos o a eliminar a Sarah Connor, sino a mejorar la vida de la especie humana y sorprendernos con su capacidad cambiaformas, como una suerte de origami robot.

Imágenes | Biomimetics and Dexterous Manipulation Lab, Stanford University | David Christensen

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