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Chips de potencia ultra baja ayudan a hacer robots pequeños más capaces

Se muestra un automóvil robótico controlado por un chip híbrido de potencia ultra baja en una pista creada para demostrar su capacidad para aprender y colaborar con otro robot. Crédito: Allison Carter, Georgia Tech

Un chip híbrido de potencia ultra baja inspirado en el cerebro podría ayudar a que robots de tamaño pequeño puedan colaborar y aprender de sus experiencias. Combinado con las nuevas generaciones de motores y sensores de baja potencia, el nuevo Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit), que funciona con milivatios de potencia, podría ser de ayuda para que los enjambres de robots inteligentes operen durante horas en lugar de minutos.

Para ahorrar energía, los chips utilizan un procesador híbrido digital/analógico basado en dominio de tiempo (time domain), en el que la información se codifica en el ancho de pulso de las señales. El circuito integrado de red neuronal se adapta tanto a la programación basada en modelos como al aprendizaje reforzado por colaboración, lo que podría proporcionar a estos pequeños robots mayores capacidades de reconocimiento, búsqueda y rescate, y otras misiones.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia demostraron autos robóticos conducidos por ASIC únicos en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC) IEEE 2019. La investigación fue patrocinada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Corporación de Investigación de Semiconductores (SRC) a través del Centro para la Habilitación de Inteligencia Autónoma Inspirada en el Cerebro (CBRIC).

«Estamos tratando de poner inteligencia en estos robots tan pequeños para que puedan aprender sobre su entorno y moverse de forma autónoma, sin infraestructura», dijo Arijit Raychowdhury, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. «Para lograrlo, queremos incorporar diseños de circuitos de baja potencia a estos dispositivos tan pequeños para que puedan tomar decisiones por su cuenta. Existe una gran demanda de robots muy pequeños pero capaces, que no requieren infraestructura».

Los autos demostrados por Raychowdhury junto a los estudiantes de posgrado Ningyuan Cao, Muya Chang y Anupam Golder navegan a través de una pista rodeada de almohadillas de goma y paredes de bloques de cartón. Mientras buscan un objetivo, los robots deben esquivar conos de tráfico y evitarse entre ellos, aprendiendo del entorno a medida que avanzan y se comunican continuamente.

Los autos utilizan sensores de inercia y ultrasonido para determinar su ubicación y detectar objetos a su alrededor. La información de los sensores va al ASIC híbrido, que sirve como el «cerebro» de los vehículos. Luego, las instrucciones van a un controlador Raspberry Pi, que es el que envía instrucciones a los motores eléctricos.


En los pequeños robot, tres sistemas principales consumen energía: los motores y controladores utilizados para conducir y dirigir las ruedas, el procesador y el sistema de detección. En los autos construidos por el equipo de Raychowdhury, que el ASIC sea de baja potencia significa que los motores consumen la mayor parte de ésta. «Hemos podido reducir la potencia de cómputo a un nivel en el que el cálculo está dominado por las necesidades de los motores», dijo.

El equipo está trabajando con colaboradores en motores que utilizan tecnología microelectromecánica (MEMS) capaz de operar con mucha menos potencia que los motores convencionales.

«Quisiéramos construir un sistema en el que la potencia de detección, las comunicaciones y la potencia de la computadora y la actuación estén aproximadamente al mismo nivel, del orden de cientos de milivatios», dijo Raychowdhury, quien es profesor adjunto de Semiconductores ON en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación. «Si podemos construir estos robots del tamaño de la palma de la mano con motores y controladores eficientes, deberíamos poder obtener tiempos de operación de varias horas con un par de baterías AA. Ahora tenemos una buena idea de qué tipo de plataformas informáticas necesitamos para ofrecer esto, pero todavía necesitamos los otros componentes para ponernos al día».

ASIC


En la computación basada en time-domain, la información se transporta en dos voltajes diferentes, codificados en el ancho de los pulsos. Eso le da a los circuitos las ventajas de eficiencia energética de los circuitos analógicos con la robustez de los dispositivos digitales.

«El tamaño del chip se reduce a la mitad, y el consumo de energía es un tercio de lo que necesitaría un chip digital tradicional», dijo Raychowdhury. «Usamos varias técnicas en los diseños de lógica y memoria para reducir el consumo de energía al rango de milivatios (un milivatio es una milésima de vatio), y al mismo tiempo cumplir con el objetivo de rendimiento».

Con cada ancho de pulso representando un valor diferente, el sistema es más lento que los dispositivos digitales o analógicos, pero Raychowdhury dice que la velocidad es suficiente para estos robots pequeños.

«Para estos sistemas de control, no necesitamos circuitos que operen a múltiples gigahercios porque los dispositivos no se mueven tan rápido», dijo. «Estamos sacrificando un poco de rendimiento para obtener eficiencias energéticas extremas. Incluso si la computadora funciona a 10 o 100 megahercios, eso será suficiente para las aplicaciones que se buscan».





Los chips CMOS de 65 nanómetros se adaptan a los dos tipos de aprendizaje apropiados para un robot. El sistema puede programarse para seguir algoritmos basados en modelos, y puede aprender de su entorno utilizando un sistema de fortalecimiento que fomenta un mejor y mejor desempeño a lo largo del tiempo, como un niño que aprende a caminar tropezando con cosas.

«Se inicia el sistema con un conjunto predeterminado de “pesos” en la red neuronal para que el robot pueda comenzar desde un buen lugar y no se bloquee de inmediato ni proporcione información errónea», dijo Raychowdhury. «Cuando usted lo ubica en un nuevo sitio, el entorno tendrá algunas estructuras que reconocerá y otras que el sistema tendrá que aprender. Luego, el sistema tomará las decisiones por su cuenta y evaluará la efectividad de cada decisión para optimizar sus movimientos».

La comunicación entre los robots les permite colaborar para buscar un objetivo.

«En un entorno de colaboración, el robot no solo necesita entender lo que está haciendo, sino también lo que están haciendo los demás en el mismo grupo», dijo. «Trabajarán para maximizar logros totales del grupo en lugar de una recompensa individual».

Con su demostración en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido, que les aportó una prueba del diseño, el equipo continúa optimizando el desarrollo y está trabajando en un sistema en chip para integrar los circuitos de computación y control.

«Queremos habilitar más y más funcionalidad en estos pequeños robots», agregó Raychowdhury. «Hemos demostrado lo que es posible, y lo que hemos hecho ahora tendrá que ser aumentado por otras innovaciones».

Fuente: Instituto de Tecnología de Georgia

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Nuevos micro robots de tamaño celular podrían hacer viajes increíbles



Nuevos micro robots de tamaño celular podrían hacer viajes increíbles

Estos robots se construyen en cantidades en un mismo proceso utilizando la tecnología de nanofabricación: cada oblea contiene un millón de máquinas.


Los investigadores han aprovechado las últimas técnicas de nanofabricación para crear robots con forma de minúsculos insectos que funcionan de forma inalámbrica, capaces de caminar y sobrevivir en entornos hostiles, y suficientemente pequeños como para ser inyectados a través de una aguja hipodérmica común.

«Cuando era niño, recuerdo haber mirado en un microscopio y haber visto todas estas locuras. Ahora estamos construyendo cosas que están activas en ese tamaño. No solo podemos mirar este mundo: en realidad, puedes jugar en él», dijo Marc Miskin, quien desarrolló las técnicas de nanofabricación con sus colegas, los profesores Itai Cohen y Paul McEuen y el investigador Alejandro Cortese en la Universidad de Cornell, mientras que Miskin fue postdoctorado en el laboratorio de física atómica y de estado sólido allí. En enero, se convirtió en profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas en la Universidad de Pennsylvania.

Miskin presentó esta semana su investigación sobre robots microscópicos en la reunión de marzo de la American Physical Society en Boston. También participó en una conferencia de prensa que describió el trabajo.

Crédito: Marc Mishkin


Orígenes de los micro robots

En el transcurso de los últimos años, Miskin y sus colegas de investigación desarrollaron una técnica de nanofabricación de varios pasos que convierte una oblea de silicio especializada de 10 centímetros en un millón de robots microscópicos en solo unas semanas. Cada 70 micrones de largo (aproximadamente el ancho de un cabello humano muy delgado), los cuerpos de los robots se forman a partir de un esqueleto de vidrio rectangular superfino cubierto con una capa delgada de silicio en la que los investigadores graban sus componentes electrónicos de control y dos o cuatro células solares de silicio: el equivalente rudimentario de un cerebro y órganos.

«La verdadera explicación a alto nivel de cómo los hacemos es que tomamos la tecnología desarrollada por la industria de los semiconductores y la usamos para hacer pequeños robots», dijo Miskin.

Cada una de las cuatro patas de un robot está formada por una bicapa de platino y titanio (o alternativamente, grafeno). El platino se aplica utilizando deposición de capa atómica. «Es como pintar con átomos», dijo Miskin. La capa de platino-titanio se corta luego en las cuatro patas de cada robot de 100 átomos de espesor.

«Las piernas son super fuertes», dijo. «Cada robot lleva un cuerpo que es 1.000 veces más grueso y pesa aproximadamente 8.000 veces más que cada pata».

Los investigadores encienden un láser en una de las células solares de un robot para alimentarlo. Esto hace que el platino en la pierna se expanda, mientras que, a su vez, el titanio permanece rígido, lo que hace que la extremidad se doble. La marcha del robot se genera porque cada célula solar provoca la contracción alternativa o la relajación de las patas delanteras o traseras.

Los investigadores vieron por primera vez el movimiento de la pata de un robot varios días antes de la navidad de 2017. «La pata solo se torció un poco», recordó Miskin. «Pero fue la primera prueba de diseño, ¡esto va a funcionar!»





Los equipos de Cornell y Pennsylvania trabajan ahora en versiones inteligentes de los robots con sensores, relojes y controladores a bordo.

La fuente de energía del láser actual limitaría el control del robot al ancho de una uña en el tejido. Así que Miskin está pensando en nuevas fuentes de energía, como ultrasonido y campos magnéticos, que permitirían a estos robots hacer viajes increíbles en el cuerpo humano para misiones como la administración de fármacos o el mapeo del cerebro.

«Descubrimos que puedes inyectarlos con una jeringa y sobreviven, aún están intactos y son funcionales, lo que está muy bien», dijo.

Fuente de la historia: Materiales proporcionados por la American Physical Society. «Los nuevos micro robots de tamaño celular podrían hacer viajes increíbles: un millón de robots microscópicos funcionales producidos a partir de una oblea de silicio de 4 pulgadas en un nuevo proceso de nanofabricación». ScienceDaily, marzo de 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190307161906.htm



Sistema para estacionamiento de un auto y para evitar acercarse demasiado a otro vehículo

Utilizando sensores ultrasónicos, los autos modernos nos dan una útil ayuda en el momento de maniobrar, especialmente al estacionarlos en espacios limitado. Podemos hacer nuestro sistema detector con un Arduino UNO y unos pocos componentes de bajo costo


Cómo funciona el sensor ultrasónico HC-SR04

El sensor ultrasónico HC-SR04 nos permite medir distancias por medio de emisión y rebote de ultrasonidos. Para medir distancias con Arduino podemos hacerlo de diferentes maneras.

Por orden de costo, hay un sensor que mide con el rebote de un láser; luego un sensor de infrarrojos que utiliza el paralaje del regreso de un haz de luz para calcular la distancia; y por último el más barato, el sensor ultrasónico HC-SR04, muy utilizado con Arduino, que utiliza la velocidad de propagación del sonido para medir distancia.

Para que no sea molesto al oído humano, utiliza ultrasonido a una frecuencia de 40 kHz. Estas ondas sonoras tienen una frecuencia muy por encima del espectro audible por los seres humanos.
El sensor funciona como un sonar, por rebote de la onda. El emisor del HC-SR04 envía un tren de ondas ultrasónicas cuando se activa la señal de disparo (trigger). Este sonido se refleja contra el objeto y retorna. El receptor detecta el momento en que retorna la onda y lo indica en la salida eco (echo).

Midiendo el tiempo de viaje podemos calcular la distancia.

La velocidad del sonido en la atmósfera terrestre es de 343,2 m/s a 20° C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar. Si necesitamos una gran exactitud, podemos agregar al diseño sensores BMP180 o BMP280, que nos aportan datos de altitud y temperatura, e incluso agregar un medidor de humedad, y por supuesto aplicar una fórmula más compleja. Pero para este diseño no necesitamos tanta precisión.

La fórmula de la velocidad es:

velocidad = espacio/tiempo

De donde despejamos la variable espacio, que necesitamos conocer:

espacio = velocidad x tiempo

La velocidad es conocida: la del sonido. El tiempo lo obtenemos con el sensor ultrasónico. Con ambos datos, podemos calcular la incógnita: a qué distancia se encuentra un objeto.

El zumbador o buzzer

Para simular correctamente un medidor de distancia de un automóvil utilizamos un buzzer (zumbador) pasivo. No hay que confundirlo con el zumbador activo, que tiene un oscilador interno, y por lo tanto una frecuencia fija y polaridad en sus pines de conexión.

Este reproductor no tiene un rango tan amplio de emisión de sonido como el del oído humano, ni mucho menos, pero es suficiente para diferenciar la distancia con frecuencias diferentes dentro de lo que es capaz de emitir. Además de los pequeños (como el de la foto), que vienen incluidos en los kits de Arduino, hay otros con mayor diámetro de diafragma (por ejemplo en el desarme de viejos modems), que ofrecen más volumen y un rango de frecuencias más amplio.

Sistema de alerta con leds y zumbador

Si bien al maniobrar no estaremos mirando hacia un indicador, sino atentos a los tonos de aviso, agregaremos al diseño un sistema de alerta visual. Nos dará una indicación aún más efectiva de si estamos cerca o lejos de un obstáculo. Con tres leds (verde, amarillo y rojo) conseguimos determinar si estamos a distancia sin riesgo, acercándonos, o en zona de peligro. Pero se podría ampliar la indicación con más leds y más comparaciones en el programa.

Componentes:

Arduino UNO, protoboard, cables para conexiones, resistores de 330 Ω, led verde, led amarillo, led rojo, sensor ultrasónico Arduino (HC-SR04), buzzer




Circuito:

Los resistores son de 330 Ω y van en serie con los LEDs. El sensor ultrasónico se conecta a dos pines digitales, uno para el trigger o disparador y otro para el echo, o receptor. El buzzer se conecta a una salida PWM y a GND. La salida PWM entregará distintas frecuencias según la indicación del programa, por medio de la función tone().

Programando el detector de distancia

Diagrama del programa

Los umbrales para la decisión se fijan como constantes, uno para cada situación. Podemos medir la distancia con una regla y determinarlos.

■ UmbralAlejado: está en zona verde desde 50 cm a 30 cm.
■ UmbralMedio: está en zona amarilla, desde 30 cm a 10 cm.
■ UmbralCerca: está en zona roja, menos de 10 cm.

Estos umbrales no son definitivos: se pueden cambiar a gusto del usuario.

El programa debe analizar la medición dividida en 4 zonas: fuera de rango (más de 50 cm, ninguna indicación), entre 50 cm y 30 cm (zona verde), entre 30 cm y 10 cm (zona amarilla), entre 10 cm e impacto (zona roja).

■ Luego de medir la distancia se la compara con el umbral que indica fuera de rango (50 cm).
■ Si la distancia es menor a ese valor está en zona verde: se enciende el led verde y emite el tono de 2000 c/s.
■ Si la distancia es menor a 30 cm y mayor a 10 cm está en zona amarilla: enciende el led amarillo y emite el tono de 2500 c/s.
■ Si la distancia es menor a 10 cm está en zona roja: enciende el led rojo y emite el tono de 3000 c/s.

Programa

Para esta determinación de rangos, es importante buscar en la hoja de especificaciones técnicas el rango de funcionamiento del sensor de ultrasonidos que disponemos. Para este artículo se usó uno que puede medir de 2 cm a 400 cm.

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Un guepardo robótico capaz de dar volteretas hacia atrás

El nuevo robot mini guepardo de MIT es elástico, liviano y pesa solo 9 kg

El nuevo robot mini guepardo de MIT es elástico y ligero, con un rango de movimiento que compite con un campeón de gimnasia. Este energético dispositivo de cuatro patas puede doblarse y balancear sus piernas, lo que le permite caminar con las patas en dirección hacia arriba o hacia abajo de su cuerpo. El robot también puede trotar en terrenos irregulares aproximadamente el doble de rápido que la velocidad de caminata de una persona promedio.

Con un peso de tan solo 9 kg -más liviano que algunos pavos de Navidad- el ágil cuadrúpedo no sufre los empujones: cuando es pateado en el suelo, el robot puede enderezarse rápidamente con un giro de sus codos, similar al kung-fu.

Quizás lo más impresionante es su capacidad para realizar un salto atrás de 360 grados desde una posición de pie. Los investigadores afirman que el mini guepardo está diseñado para ser «virtualmente indestructible», y que se recupera con poco daño, incluso si un salto hacia atrás termina mal.

En el caso de que se rompa una extremidad o un motor, el mini guepardo está diseñado considerando la modularidad: cada una de las patas del robot se alimenta de tres motores eléctricos idénticos y de bajo costo que los investigadores diseñaron con piezas listas para usar. Cada motor se puede cambiar fácilmente por uno nuevo.

«Podrías poner estas piezas juntas, casi como ladrillos de armar de plástico», dice el desarrollador líder, Benjamin Katz, un asociado técnico en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.


Los investigadores presentarán el diseño del mini guepardo en la Conferencia Internacional sobre Robótica y Automatización, en mayo. Actualmente están construyendo más de estas máquinas de cuatro patas, con la meta de tener un conjunto de 10, cada uno de los cuales esperan dar como préstamo a otros laboratorios.

«Una gran parte de la razón por la que construimos este robot es que tan fácil para experimentar y simplemente probar cosas locas, porque el robot es súper robusto y no se rompe fácilmente, y si se rompe, es fácil y no muy costoso arreglarlo», dice Katz, quien trabajó en el robot en el laboratorio de Sangbae Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica.

Kim dice que el prestar mini guepardos a otros grupos de investigación les da a los ingenieros la oportunidad de probar algoritmos y maniobras novedosos en un robot altamente dinámico, al que de otra forma no tendrían acceso.

«Eventualmente, espero que podamos tener una carrera de perros robótica a través de una senda de obstáculos, donde cada equipo controle un mini guepardo con diferentes algoritmos, y podamos ver qué estrategia es más efectiva», dice Kim. «Así es como se acelera la investigación».

Cosas dinámicas

El mini guepardo es más que una versión en miniatura de su predecesor, el guepardo 3, un robot grande, pesado y formidable, que a menudo necesita ser estabilizado con correas para proteger sus costosas piezas diseñadas a medida.

«En Cheetah 3, todo está super integrado, así que si quieres cambiar algo, tienes que hacer un montón de rediseño», dice Katz. «Mientras que con el mini guepardo, si quisieras agregar otro brazo, podrías agregar tres o cuatro más de estos motores modulares».

Katz ideó el diseño del motor eléctrico al reconfigurar las piezas a motores pequeños, disponibles comercialmente, normalmente utilizados en aviones no tripulados y aviones controlados a distancia.

Cada uno de los 12 motores del robot es aproximadamente del tamaño de la tapa de un tarro a rosca, y consiste en un estator, o conjunto de bobinas que genera un campo magnético giratorio; un pequeño controlador que transmite la cantidad de corriente que debe producir el estator; un rotor, alineado con imanes, que gira con el campo del estator, produciendo un par para levantar o rotar una extremidad; una caja de engranajes que proporciona una reducción de engranajes de 6: 1, lo que permite que el rotor proporcione seis veces el par que normalmente tendría; y un sensor de posición que mide el ángulo y la orientación del motor y la extremidad asociada.




Cada pata está accionada por tres motores, para darle tres grados de libertad y una gran amplitud de movimiento. El diseño liviano, de alto torque y baja inercia, permite que el robot ejecute maniobras rápidas y dinámicas, y realice impactos de alta fuerza en el suelo sin romper las cajas de engranajes o las extremidades.

«La velocidad a la que puede cambiar las fuerzas sobre el terreno es realmente rápida», dice Katz. «Cuando está funcionando, sus pies están solo en el suelo durante unos 150 milisegundos a la vez, durante los cuales una computadora le dice que aumente la fuerza en el pie, luego la cambie para equilibrarlo y luego disminuya esa fuerza realmente rápido para levantar. Así que puede hacer cosas realmente dinámicas, como saltar en el aire con cada paso, o correr con dos pies en el suelo a la vez. La mayoría de los robots no son capaces de hacer esto, así que se mueven mucho más lento».

Volteretas

Los ingenieros probaron el mini guepardo con una serie de maniobras, analizando primero su capacidad de carrera en los pasillos del Laboratorio Pappalardo del MIT y en el terreno ligeramente irregular de Killian Court.

En ambos entornos, el cuadrúpedo se movió a aproximadamente 8 km por hora. Las articulaciones del robot son capaces de girar tres veces más rápido, con el doble de fuerza, y Katz estima que el robot podría funcionar casi el doble de rápido con un poco de ajuste.

El equipo escribió otro código de computadora para hacer que el se estire y se retuerza en varias configuraciones similares al yoga, mostrando su rango de movimiento y la capacidad de rotar sus extremidades y articulaciones mientras mantiene el equilibrio. También programaron el robot para recuperarse de una fuerza inesperada, como una patada lateral. Cuando los investigadores patearon el robot al suelo, se apagó automáticamente.

«Se supone que algo ha salido terriblemente mal, así que simplemente se apaga, y las piernas se desplazan libres», dice Katz.

Cuando recibe una señal para reiniciarse, el robot primero determina su orientación y luego realiza una maniobra preprogramada de agacharse o girar el codo para enderezarse en cuatro patas.

Katz y el coautor Jared Di Carlo, un estudiante universitario en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), se preguntaron si el robot podría realizar maniobras de mayor impacto. Inspirados por una clase que tomaron el año pasado, impartidos por el profesor Russ Tedrake de EECS, se dedicaron a programar el mini guepardo para realizar una voltereta hacia atrás.

«Pensamos que sería una buena prueba del rendimiento del robot, ya que requiere mucha potencia, torque, y hay enormes impactos al final de un giro», dice Katz.

El equipo escribió una «gigante optimización de la trayectoria, no lineal» que incorporaba la dinámica del robot y las capacidades del actuador, y especificó una trayectoria en la que el robot comenzaría en una cierta orientación del lado derecho hacia arriba y terminaría volteado 360 grados. El programa que desarrollaron luego resolvió todos los pares de torsión que debían aplicarse a cada junta, desde cada motor individual, y en cada período de tiempo entre el inicio y el final, para llevar a cabo el retroceso.

«La primera vez que lo probamos, funcionó milagrosamente», dice Katz.

«Esto es super emocionante», agrega Kim. «Imagina a Cheetah 3 haciendo una voltereta hacia atrás: se estrellaría y probablemente destruiría la máquina para correr. Podríamos hacer esto con el mini cheetah en un escritorio».



Creando robots que pueden ir a donde nosotros vamos

GIF Dan Saelinger

Los robots han caminado sobre piernas durante décadas. Los robots humanoides más avanzados de la actualidad pueden pisar sobre superficies planas e inclinadas, subir y bajar escaleras y avanzar por terrenos difíciles. Algunos incluso pueden saltar. Pero a pesar del progreso, los robots con piernas aún no pueden comenzar a igualar la agilidad, eficiencia y fuerza de los humanos y animales.

Los robots caminantes existentes consumen mucha energía y pasan demasiado tiempo en el taller. Con demasiada frecuencia fallan, caen y se rompen. Para que los ayudantes robóticos con los que hace tiempo soñamos se conviertan en realidad, estas máquinas tendrán que aprender a caminar como nosotros.

Debemos construir robots con piernas porque nuestro mundo está diseñado para piernas. Pasamos por espacios estrechos, nos movemos sobre obstáculos, subimos y bajamos escalones. Los robots con ruedas u orugas no pueden moverse fácilmente por los espacios que hemos optimizado para nuestros propios cuerpos.

De hecho, muchos humanoides tienen piernas similares a las nuestras, con caderas, rodillas, tobillos y pies. Pero las similitudes por lo general terminan ahí: si se comparan, por ejemplo, las fuerzas que estos robots ejercen en el suelo con las que ejerce un humano, se descubre que a menudo son bastante diferentes. La mayoría de los humanoides, descendientes de los primeros brazos robóticos industriales, controlan sus extremidades para seguir trayectorias específicas de la forma más precisa y rígida posible. Sin embargo, la locomoción con piernas no requiere tanto control de posición como control de fuerza, con mucha flexibilidad y elasticidad, conocidas en robótica como flexibilidad, como para permitir contactos inesperados.

Varios grupos de investigación han estado tratando de construir robots que sean menos rígidos y que puedan moverse de una manera más dinámica y humana. Tal vez el robot más famoso sea Atlas, de Boston Dynamics, un humanoide que puede correr en terrenos duros y blandos, saltar sobre troncos caídos e incluso retroceder. Pero nuevamente, cuando comparamos el movimiento de incluso los robots más sofisticados con lo que pueden lograr los animales, las máquinas se quedan cortas.

¿Qué nos falta? La tecnología no es el mayor obstáculo: los motores son lo suficientemente poderosos, los materiales son lo suficientemente fuertes, y las computadoras son lo suficientemente rápidas. Más bien, el factor limitante parece ser nuestra comprensión básica de cómo funciona la locomoción sobre patas.

Fotos: Dan Saelinger. Droides de la vida real: Agility Robotics diseñó sus robots con piernas Cassie [izquierda] y Digit para moverse de una manera más dinámica que los robots normales.

En el Dynamic Robotics Laboratory de la Universidad del Estado de Oregon, el autor dirige un grupo de investigadores que buscan identificar los principios subyacentes de la locomoción de las piernas y aplique sus descubrimientos a los robots. También es el cofundador y director de tecnología de Agility Robotics, una empresa con sede en Albany, Oregón, que está explorando los usos comerciales de la robótica con movilidad sobre piernas.

En 2017, presentaron Cassie, una plataforma bípeda que han vendido a varios grupos de investigación. Pronto tendrán un nuevo robot listo para salir al mundo: Digit, que tiene patas similares a las de Cassie, pero también cuenta con sensores de percepción y un par de brazos que utilizará para la estabilidad y, en el futuro, la manipulación.

Tanto por medio del laboratorio como de la compañía, están trabajando para lograr un futuro en el que los robots puedan ir a cualquier lugar donde vaya la gente. Se cree que los robots con piernas dinámicas algún día ayudarán a cuidar de las personas mayores y enfermas en sus hogares, ayudarán en los esfuerzos de salvamento en incendios y terremotos, y entregarán paquetes en las puertas de las casas.

Las piernas robóticas también permitirán exoesqueletos y extremidades protésicas motorizadas para dar más movilidad a las personas con discapacidades. Finalmente traerán los robots imaginados en la ciencia ficción a nuestras vidas diarias.

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Algunas aves corren mejor de lo que pueden volar, si es que pueden volar. Avestruces, pavos, gallinas y codornices no pueden volar como un halcón, pero son rápidas con sus patas. En colaboración con Monica Daley del Royal Veterinary College de la Universidad de Londres, el autor y sus colegas han pasado innumerables horas observando a las aves caminando y corriendo en el laboratorio. Quieren entender cómo es que estos animales se mueven de manera tan ágil y eficiente, ¡la mayoría de estas máquinas emplumadas son impulsadas solo por semillas!

En un experimento, una gallina de Guinea corre por una pista cuando y pisa un hoyo oculto por una hoja de papel de seda. El ave no sabía que iba a meterse en un bache a media pierna de profundidad; sin embargo, el animal no pierde un paso, su pierna se estira para ajustarse a la caída a medida que pasa el obstáculo. Lo que sucede aquí es bastante notable: el cerebro del ave no tiene que sentir ni reaccionar ante la perturbación porque sus patas pueden manejarse por sí mismas.

Esto ofrece una visión importante para los diseñadores de robots: si primero construyes tu robot y luego intentas programarlo para que sea ágil, es probable que estés condenado a fallar. Al igual que con las aves de Guinea, la agilidad de un robot se derivará en gran parte de las propiedades mecánicas inherentes de su cuerpo, o lo que los robotistas llaman dinámica pasiva. Y esto se ha descuidado en la mayoría de los proyectos de robots con patas. Al diseñar cuidadosamente la dinámica pasiva de un robot en paralelo con el control de software como un sistema integrado se aumentan las posibilidades de crear un robot que se aproxime al rendimiento de un animal.

Ahora, vale la pena señalar que, aunque uno se inspire en los animales, no replican la forma del pie de un pájaro o la disposición de músculos y huesos en una pierna humana. En su lugar, se desea capturar la física de la locomoción animal y extraer de ella un modelo matemático que se pueda entender, probar en simulaciones por computadora y luego implementarlo en robots reales. Debido a que están utilizando metal y componentes electrónicos en lugar de huesos y cerebros para construir estos robots, pueden parecer muy diferentes de un animal y al mismo tiempo tener la misma física.




Uno de los modelos matemáticos más simples consiste en una masa puntual (que representa la parte superior del cuerpo) unida a un par de resortes ideales, que representan las piernas. Este modelo, conocido como modelo de masa de resorte, es una simplificación, por supuesto: se asemeja a un dibujo de palotes y no tiene en cuenta que las piernas tienen articulaciones, o que los pies no tocan el suelo en puntos discretos. Aún así, el modelo de muelles de resortes puede producir resultados sorprendentes: en las simulaciones, puede generar casi todas las maneras de caminar y correr observadas en personas y animales.

Foto: Oregon State University. Primeros pasos: Las piernas de ATRIAS no se parecen a las de una persona, pero el robot fue la primera máquina en demostrar dinámicas de andar de forma humana.

Primeros pasos:

Para probar el modelo de masa de resorte en una máquina, el grupo en Oregon State, en colaboración con Hartmut Geyer de la Universidad Carnegie Mellon y Jessy Grizzle de la Universidad de Michigan, desarrolló ATRIAS, un robot bípedo cuyo nombre es un acrónimo que refleja la premisa principal: Supongamos que el robot es una esfera. La idea era que la dinámica pasiva del robot pudiera acercarse lo más posible a la reproducción de la masa puntual con patas elásticas.

Construyeron cada pata con varillas de fibra de carbono livianas, dispuestas en una estructura en forma de paralelogramo conocida como enlace de cuatro barras. Esta estructura minimiza la masa de las piernas y su inercia asociada, aproximándose al modelo de masa de resorte. También equiparon la parte superior de las piernas con resortes de fibra de vidrio, que encarnan físicamente la parte de «resorte» del modelo, manejando los impactos en el suelo y almacenando energía mecánica.

Al principio, ATRIAS apenas podía sostenerse, y se lo sostuvo con una atadura por arriba de él. Pero a medida que refinaron su controlador, que hacía un seguimiento de la velocidad y la inclinación del cuerpo, el robot dio sus primeros pasos y pronto estaba caminando por el laboratorio. A continuación ATRIAS aprendió a recuperarse de las perturbaciones, que en un experimento consistió en que los alumnos le lanzaran pelotas. También llevaron a ATRIAS al campo de fútbol de la universidad, lo aceleraron a una velocidad máxima de 7,6 kilómetros por hora y luego, por supuesto, lo detuvieron rápidamente en la zona final.

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Para comprender mejor cómo lo estaba haciendo el robot, imagine que usted tiene los ojos vendados y camina sobre zancos con la parte superior del cuerpo envuelta en una alfombra, de modo que no puede usar los brazos para equilibrarse. Todo lo que se puede hacer es seguir caminando, y eso es lo que hizo ATRIAS. Incluso fue capaz de manejarse ante obstáculos, como una pila de madera contrachapada colocada en su camino.

Si bien era importante la agilidad, también era fundamental que ATRIAS fuera económico en consumo de energía. Confirmaron que lo era al medir un parámetro que se conoce como costo de transporte (COT). Se define como la relación entre el consumo de energía y peso por velocidad, y se usa para comparar la eficiencia energética en cómo se mueven los animales y las máquinas. Cuanto menor sea el COT, mejor. Una persona que camina, por ejemplo, tiene un COT de 0,2, mientras que los robots humanoides convencionales tienen valores mucho más altos, entre 2 y 3, según algunas estimaciones [PDF]. Los experimentos mostraron que ATRIAS, con su manera de caminar, tenía un COT de 1,13 [PDF], demostrando beneficios de eficiencia de robots dinámicos [PDF]. De hecho, unas cuantas baterías pequeñas de polímero de litio, del tipo que se usa en los automóviles controlados por radio, podrían mantener el funcionamiento de ATRIAS durante aproximadamente una hora.

También midieron las fuerzas [PDF] que el robot ejercía en el suelo. Colocaron ATRIAS, que pesa 72,5 kilogramos (aproximadamente lo mismo que una persona) en una placa de fuerza, un instrumento que se usa a menudo en medicina deportiva para evaluar la marcha de una persona al medir las fuerzas de reacción contra el suelo. Mientras el robot caminaba, grabaron los datos de fuerza aplicada. Luego reemplazaron a ATRIAS por uno de los alumnos y registraron sus pasos. Cuando graficaron las fuerzas de reacción del terreno a lo largo del tiempo, los dos conjuntos de datos tenían exactamente la misma forma. Por lo que se sabe hasta el momento, es la implementación robótica más realista de la dinámica de la marcha humana que se haya realizado.

Los resultados confirmaron que un simple sistema accionado por masa de resorte es algo que se puede construir en un robot; habilitando muchos de los rasgos buscados, tales como eficiencia, robustez y agilidad; y llegar al núcleo de lo que es la locomoción bípeda. Ya era hora de que construyeran el siguiente robot.

Foto: Dan Saelinger. Caminante dinámico: Para moverse con agilidad por un terreno complejo, Cassie usa cinco motores y dos resortes en cada pierna.


Y establecieron una vara elevada: querían que Cassie pudiera correr a través de un bosque, capaz de manejarse en terrenos difíciles operando durante horas con una batería, sin correa de seguridad.

Cassie se basa en los mismos conceptos desarrollados para ATRIAS, pero decidieron darle un nuevo tipo de piernas. Usaron dos motores para alimentar la conexión de cuatro barras en cada tramo de ATRIAS. Esta disposición minimizó su masa, pero hubo una complicación: durante parte del ciclo de pasos, un motor actuaba como un freno del otro, lo que le costaba una energía significativa e innecesaria. Para Cassie, estudiaron configuraciones alternativas para las piernas [PDF] para eliminar ese efecto. El nuevo diseño permite que los motores sean más pequeños y, por lo tanto, hace que el robot sea incluso más eficiente que ATRIAS.

Es importante tener en cuenta que la configuración de la pierna de Cassie fue resultado de este análisis. El hecho de que la pata se asemeje a la de un avestruz u otro terópodo puede ser una señal de que están en el camino correcto, pero el objetivo nunca fue crear un robot que, con unas pocas plumas bien colocadas, pudiera encajar con una multitud de avestruces.

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Cada una de las piernas de Cassie tiene cinco ejes de movimiento, o grados de libertad en el lenguaje robótico, cada uno impulsado por un motor. Las caderas tienen tres grados de libertad, similares a las nuestras, permitiendo que la pierna gire en cualquier dirección. Otros dos motores potencian las articulaciones en la rodilla y el pie. Cassie tiene grados adicionales de libertad en su espinilla y tobillo; estos son pasivos, no controlados por motores, sino más bien unidos a resortes, que ayudan al robot a moverse a través de terrenos complejos que los humanoides de pies planos no pueden manejar.

Las nuevas piernas de Cassie requerían un controlador de bajo nivel más sofisticado que el de ATRIAS. Con ATRIAS, la extensión de una pierna se logró simplemente mediante la aplicación de pares iguales y opuestos con los dos motores. Con la pierna de Cassie, mover el pie en una dirección específica requiere calcular diferentes pares de torsión para cada motor. Para hacer eso, el controlador debe tener en cuenta la inercia de las patas, así como la dinámica de los motores y cajas de engranajes.

Gif: Dan Saelinger. Paso a paso: El controlador de Cassie usa posiciones planeadas en pasos y balanceo dinámico para permitir que el robot suba las escaleras.


Es cierto que el problema de control se volvió más complejo, pero este método permite un mejor rendimiento y una gama de comportamientos mucho más amplia. Cassie puede alcanzar una velocidad de marcha de 5 km/h usando uno de los controladores iniciales. El consumo de energía varía de 100 vatios (cuando está de pie) a aproximadamente 300 vatios (en marcha), y la batería de iones de litio permite aproximadamente 5 horas de funcionamiento continuo. Las nuevas piernas también le permiten a Cassie moverse de una manera que ATRIAS no podría. Y gracias a una articulación motorizada en el pie, puede colocarse en su lugar sin tener que mover sus pies constantemente como lo hace ATRIAS.

Cassie también pesa solo 31 kg, la mitad que ATRIAS. Es posible cargar dos Cassies en el baúl de un automóvil en menos de un minuto. Y es mucho más robusto: las partes de su cuerpo están hechas de aluminio y fibra de carbono, y una cubierta protectora hecha de cloruro de polivinilo acrílico termoformado, un plástico fuerte que lo protege de colisiones y caídas.

Cassie todavía no corre por los bosques. Pero lo han probado al aire libre, sin amarres de seguridad, y ha caminado sobre tierra, hierba y hojas, caminos desparejos. Ahora están aprendiendo cómo integrar comportamientos dinámicos con planificación de movimiento [PDF] , lo que le permite subir escaleras, por ejemplo. También están trabajando en otra característica que podría hacer que un robot como Cassie sea mucho más útil: brazos.

Foto: Dan Saelinger. Cuerpo a estrenar: Digit tiene patas similares a las de Cassie, pero también tiene un torso lleno de sensores y un par de brazos diseñados para ayudar con la movilidad y el equilibrio.


Digit es un descendiente directo de Cassie. Tiene piernas similares, pero agregaron un torso y un par de brazos. Los brazos están diseñados para ayudar con la movilidad y el equilibrio del robot, ya que giran en coordinación con la marcha. También permitirán que Digit se cuide a sí mismo al caer, y reorientará su cuerpo para volver a subir.

Digit tiene algo más que Cassie no tenía: la percepción integrada. Agregaron numerosos sensores al robot, incluido un LIDAR sobre el torso. Estos sensores ayudarán a recopilar datos para permitir que el robot navegue por un mundo lleno de obstáculos, como habitaciones desordenadas y escaleras, y confiar en la dinámica estable subyacente solo cuando maneje situaciones inesperadas y detecte errores.

Digit y los robots con patas que seguirán aún tienen un largo camino por recorrer. Pero sus diseñadores están convencidos de que cambiarán el mundo. Su impacto podría ser tan grande como el automóvil en términos de cambios en los estilos de vida e incluso patrones de tráfico y aspectos de los diseños de la ciudad, donde estos robots prometen transformar la logística y la entrega de paquetes.

En un futuro no muy lejano, a medida que los vehículos ganen autonomía, los fabricantes de automóviles y las compañías de viajes compartidos como Lyft y Uber poseerán grandes flotas de vehículos que transporten personas, con un tráfico máximo durante las horas pico, como hoy. Pero a altas horas de la noche y en medio del día, ¿qué harán estos vehículos automatizados? En lugar de simplemente estar inactivos, podrían transportar paquetes desde los almacenes automáticos a su hogar. Sin embargo, estos vehículos de entrega están limitados en la acera: sin un ser humano, llevar el paquete a la puerta de una casa es un gran desafío. Ahí es donde entran los robots con piernas. Viajando en estos vehículos, cubrirán esos últimos metros. Aunque las ruedas y las alas pueden cumplir algunos de estos roles, en un mundo diseñado para bípedos, ninguna plataforma de movilidad podría ser tan versátil como un robot bípedo.

Fotos: Dan Saelinger. Entrega especial: Digit está aprendiendo a caminar en diferentes tipos de terreno y también a subir escaleras, por lo que algún día puede entregar paquetes directamente a la puerta de su casa.


Los robots de entrega formarán parte de un sistema de logística cada vez más automatizado que va de los fabricantes y los distribuidores directamente a su puerta. Este sistema reducirá los costos de envío hasta que sea significativamente menos costoso recibir los artículos en su hogar que comprarlos en un almacén grande, bien iluminado, con calefacción, y accesible para personas. Se volverán superfluas las grandes tiendas que hoy venden lo que son, en esencia, productos básicos. La gente todavía disfrutará de las compras en la tienda de ciertos productos, por supuesto. Pero para los comestibles de la semana, los robots de entrega le ahorrarán tiempo y dinero.

La locomoción bípeda también ayudará a poner robots en nuestros hogares y negocios. Los robots que pueden moverse por las escaleras y los entornos abarrotados mientras interactúan de manera segura con los humanos a nivel de los ojos y a escala humana, nos permitirán envejecer con gracia en nuestros propios hogares. Ayudarán a llevar las cosas y servirán como dispositivos de telepresencia, permitiendo a los familiares y amigos usar el robot para hablar con las personas de forma remota y hacerles compañía.

Los robots con piernas también irán a donde es peligroso que vayan los humanos. Se lanzarán en paracaídas a los incendios forestales para recopilar datos en tiempo real, se apresurarán a entrar a edificios incendiados para buscar ocupantes, o ingresar a zonas de desastre, como la central nuclear de Fukushima Daiichi, para explorar áreas de difícil acceso. Llevarán a cabo inspecciones periódicas de los espacios internos de las represas hidroeléctricas y explorarán las minas abandonadas, para que no tengamos que hacerlo nosotros.

Se deben resolver muchos desafíos para llevarnos a ese futuro. Pero el autor está convencido de que la comunidad robótica puede hacer que esta tecnología sea práctica. Será un pequeño paso para un robot, un gran salto para la humanidad.

Este artículo es una adaptación al español del que aparece en la edición impresa de IEE Spectrum de marzo de 2019 como «Walk This Way».

Sobre el autor:

Jonathan Hurst es director de tecnología y cofundador de Agility Robotics, así como profesor asociado de robótica y profesor de la Facultad de Ingeniería Dean en Oregon State University. Él tiene un B.S. en ingeniería mecánica y un M.S. y Ph.D. en robótica, todo de la Universidad Carnegie Mellon. Su investigación universitaria se centra en la comprensión de las mejores prácticas de ciencia e ingeniería fundamentales para la locomoción bípeda. Agility Robotics está utilizando esta investigación para desarrollar aplicaciones comerciales para la movilidad con patas robóticas.