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Piernas robóticas que se basan en la evolución animal para aprender a caminar

Investigadores de la Universidad de Carolina del Sur (USC) han construido un robot que puede aprender solo a caminar. Inspirados por la forma de aprender de los humanos, y de los animales que han evolucionado para aprender esta habilidad a los pocos minutos de nacer, se espera que la investigación abra nuevas posibilidades en los campos de las prótesis dinámicas y los robots que aprenden sobre la marcha en entornos desconocidos.

La nueva extremidad robótica conectada a una máquina de cuatro patas (Crédito: Matthew Lin)

“Hoy en día, para que un robot esté listo para interactuar con el mundo se necesita el equivalente de meses o años de entrenamiento, pero queremos lograr el rápido aprendizaje y las adaptaciones que se ven en la naturaleza”, dice Francisco J. Valero-Cuevas, un profesor de Ingeniería Biomédica.

En pos de este objetivo, Valero-Cuevas y sus colegas desarrollaron una pierna robótica accionada por tendones de tipo animal y controlada por algoritmos de Inteliencia Artificial bio-inspirados. Esto permite que el robot desarrolle la habilidad de caminar de manera similar a los humanos, por medio de lo que se conoce en los círculos de robótica como Motor Babbling (“babbling” es el balbuceo de los bebés que están probando su capacidad de hablar), que implica realizar movimientos exploratorios repetidos.

“Estos movimientos aleatorios de la pierna permiten al robot construir un mapa interno de su extremidad y sus interacciones con el medio ambiente”, dice el estudiante de doctorado de ingeniería de la USC, Ali Marjaninejad, autor del estudio.

Los investigadores han desarrollado una extremidad robótica accionada por tendones de tipo animal y controlada por algoritmos de inteligencia artificial específicos.

Al aprender sobre su estructura y entorno, el miembro robótico puede desarrollar su propio andar personalizado y aprender una nueva tarea de caminar después de solo cinco minutos de pruebas puramente descoordinadas. A tal punto que puede recuperarse si tropieza al querer dar su próximo paso con seguridad en el suelo, aunque no esté programado para hacerlo. Los investigadores creen que este es el primer robot capaz de tal hazaña, y están entusiasmados con las posibilidades que abre el avance.
Como explican, los robots pueden programarse para realizar ciertas tareas en ciertos escenarios, pero no se pueden preparar para toda posibilidad. Este tipo de robots, por otro lado, que son capaces de desarrollar sus propios movimientos personalizados en respuesta a su entorno, podrán asumir una gama más amplia de tareas.

“Si se deja que estos robots aprendan de la experiencia relevante, finalmente encontrarán una solución que, una vez lograda, se utilizará y adaptará según sea necesario”, dice Marjaninejad. “La solución puede no ser perfecta, pero se adoptará si es lo suficientemente buena para la situación. No todos necesitamos o deseamos, o podemos gastar tiempo y esfuerzo en ganar una medalla olímpica”.





Las prótesis sensibles son un área en la que este tipo de tecnología podría tener un impacto, ya que ayuda a las personas con discapacidades, al permitirles extremidades más intuitivas, naturales y que se mejoran a sí mismas. La exploración espacial es otra, donde los robots podrían colocarse en planetas o lunas lejanos y usar sus capacidades de aprendizaje para ajustar su modo de andar y navegar por terreno desconocido.

“La capacidad de una especie para aprender y adaptar sus movimientos a medida que cambian sus cuerpos y ambientes ha sido, desde el principio, un poderoso impulsor de la evolución”, dice Brian Cohn, también estudiante de doctorado y autor del estudio. “Nuestro trabajo constituye un paso hacia la capacitación de los robots para aprender y adaptarse de cada experiencia, tal como lo hacen los animales”.

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La investigación fue publicada en la revista Nature Machine Intelligence.
Fuente: Universidad del sur de California



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



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”.



Una prótesis que restaura la sensación de dónde está tu mano

Los investigadores han desarrollado una mano biónica de nueva generación que permite a los amputados recuperar su propiocepción. Los resultados del estudio son la culminación de diez años de investigación en robótica.

El nuevo dispositivo permite a los pacientes alcanzar un objeto en una mesa y determinar la consistencia, la forma, la posición y el tamaño de un elemento sin tener que mirarlo.

La mano biónica de la próxima generación, desarrollada por investigadores de la EPFL, la Escuela de Estudios Avanzados Sant’Anna en Pisa y el Policlínico Universitario A. Gemelli en Roma, permite a los amputados recuperar un sentido del tacto muy sutil y casi natural. Los científicos lograron reproducir la sensación de propiocepción, que es la capacidad de nuestro cerebro para detectar al instante y con precisión la posición de nuestros miembros durante y después del movimiento, incluso en la oscuridad o con los ojos cerrados.

El nuevo dispositivo permite a los pacientes alcanzar un objeto en una mesa y determinar la consistencia, la forma, la posición y el tamaño de un elemento sin tener que mirarlo. La prótesis ha sido probada con éxito en varios pacientes y funciona estimulando los nervios en el muñón del amputado. Los nervios pueden proporcionar retroalimentación sensorial a los pacientes en tiempo real, casi como lo hacen en una mano natural.

Los hallazgos han sido publicados en la revista Science Robotics. Son el resultado de diez años de investigación científica coordinada por Silvestro Micera, profesor de bioingeniería en la EPFL y en la Escuela de Estudios Avanzados Sant’Anna, y Paolo Maria Rossini, director de neurociencia del Policlínico Universitario A. Gemelli en Roma.

Retroalimentación sensorial

Las prótesis mioeléctricas actuales permiten a los amputados recuperar el control motor voluntario de su extremidad artificial mediante la explotación de la función muscular residual en el antebrazo. Sin embargo, la falta de retroalimentación sensorial significa que los pacientes tienen que confiar mucho en las señales visuales. Esto puede evitar que sientan que su extremidad artificial es parte de su cuerpo y causa que su uso sea más antinatural.

Recientemente, varios grupos de investigación han logrado proporcionar retroalimentación táctil en personas con amputaciones, lo que ha llevado a una mejor función y realización de prótesis. Pero este último estudio ha llevado las cosas un paso más allá.

“Nuestro estudio muestra que la sustitución sensorial basada en la estimulación intraneural puede ofrecer tanto la retroalimentación de posición como la retroalimentación táctil de manera simultánea y en tiempo real”, explica Micera. “El cerebro no tiene problemas para combinar esta información, y los pacientes pueden procesar ambos tipos en tiempo real con excelentes resultados”.

La estimulación intraneural restablece el flujo de información externa mediante pulsos eléctricos enviados por electrodos insertados directamente en el muñón del paciente. Luego, los pacientes deben someterse a entrenamiento para aprender gradualmente a traducir esos pulsos en sensaciones propioceptivas y táctiles.

Esta técnica permitió a dos amputados recuperar una agudeza propioceptiva alta, con resultados comparables a los obtenidos en sujetos sanos. La entrega simultánea de información de posición y la retroalimentación táctil permitieron a los dos amputados determinar el tamaño y la forma de cuatro objetos con un alto nivel de precisión (75,5%).

“Estos resultados muestran que los amputados pueden procesar de manera efectiva la información táctil y de posición recibida simultáneamente a través de la estimulación intraneural”, dice Edoardo D’Anna, investigador de EPFL y autor principal del estudio.

Fuente de la historia: Materiales proporcionados por Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Referencia de publicación:

Edoardo D’Anna, Giacomo Valle, Alberto Mazzoni, Ivo Strauss, Francesco Iberite, Jérémy Patton, Francesco M. Petrini, Stanisa Raspopovic, Giuseppe Granata, Riccardo Di Iorio, Marco Controzzi, Christian Cipriani, Thomas Stieglitz, Paolo M. Rossini, Silvestro Micera. A closed-loop hand prosthesis with simultaneous intraneural tactile and position feedback (Una prótesis de mano de circuito cerrado con tacto intraneural simultáneo y retroalimentación de posición). Science Robotics, 2019; 4 (27): eaau8892 DOI: 10.1126/scirobotics.aau8892