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Desarrollan sistema inspirado en la biología para dar movimiento más humano a los ojos robóticos

Utilizando materiales piezoeléctricos, los investigadores han replicado el movimiento de los músculos del ojo humano en el control de sistemas de cámaras de una manera pensada para mejorar el funcionamiento de los robots

¿Tiene dificultades para obtener partes robóticas que funcionen como había previsto? Observe a la naturaleza... o mejor aún, fíjese en usted mismo. Después de todo, qué mejor lugar para encontrar inspiración que los seres humanos a los que las máquinas "esclavizarán" algún día, ¿verdad? Investigadores de Georgia Tech trabajaron para desarrollar un sistema de control de las cámaras de los robots que utiliza una funcionalidad similar a la de los músculos humanos.

"Los actuadores desarrollados en nuestro laboratorio incorporan muchas características en común con los músculos biológicos, sobre todo una estructura celular", dice Joshua Schultz. "Esencialmente, los músculos del ojo humanos son controlados por impulsos nerviosos. En esencia, los actuadores que estamos desarrollando se pueden utilizar para capturar la cinemática y el rendimiento del ojo humano".

Hace poco el equipo mostró su trabajo en la Conferencia Internacional de Robótica Biomédica y Biomecatrónica de IEEE en Roma. Cuando esté desarrollado por completo, anticipan que el sistema piezoeléctrico se podrá utilizar para la cirugía basada en resonancia magnética, la rehabilitación, y en la investigación del ojo humano.

La clave del nuevo sistema de control es un actuador piezoeléctrico celular que utiliza una novedosa tecnología inspirada en lo biológico que permitirá que los ojos del robot se muevan más parecido a un ojo real. Esto será útil para los estudios de investigación sobre el movimiento del ojo humano, así como hacer más intuitivo el ingreso de video en los robots. La investigación la lleva a cabo Schultz bajo la dirección del profesor asistente Jun Ueda, ambos de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, en el Instituto de Tecnología de Georgia.

"Para que un robot esté en verdad inspirado en la biología, debe poseer actuadores, o generadores de movimiento, con propiedades en común con la musculatura de los organismos biológicos", dijo Schultz. "Los actuadores desarrollados en nuestro laboratorio incorporan muchas características en común con los músculos biológicos".

"Es crucial una robustez que enfrente la incertidumbre del modelo y el entorno en los robots que interactúan físicamente con los seres humanos y el medio ambiente", dice Ueda. "Una integración exitosa se basa en un diseño coordinado del control, la estructura, los actuadores y los sensores, teniendo en consideración la interacción dinámica entre ellos."

Los materiales piezoeléctricos se expanden o se contraen cuando se les aplica electricidad, lo que aporta una manera de transformar las señales de entrada en movimiento. Este principio es la base de los actuadores piezoeléctricos, que se han utilizado en numerosas aplicaciones, pero su uso en aplicaciones de robótica estuvo limitado debido al desplazamiento minúsculo que se obtiene de la cerámica piezoeléctrica.

El concepto de actuador celular que desarrolló el equipo de investigación está inspirado en la estructura muscular biológica, que conecta muchas unidades actuadoras pequeñas en serie o en paralelo.

El equipo de Georgia Tech ha desarrollado un esquema liviano, de alta velocidad, para el posicionador de cámara. Posee un solo grado de libertad, y se puede utilizar para ilustrar y comprender el rendimiento y la capacidad de control de la tecnología de actuadores con inspiración biológica. Esta nueva tecnología utiliza menos energía que los mecanismos tradicionales de posicionamiento de cámara, y ofrece una mayor flexibilidad.

"Cada actuador similar a un músculo tiene un material piezoeléctrico y un conjunto anidado jerárquico de mecanismos de amplificación de la tensión", explica Ueda. "Estamos presentando un concepto matemático que se puede utilizar para predecir la perfomance además de seleccionar la geometría requerida de las estructuras anidadas. Usamos el diseño de los actuadores del mecanismo de posicionamiento de la cámara para demostrar los conceptos."

El trabajo de estos científicos nos muestra mecanismos que pueden amplificar el desplazamiento de un apilamiento de cerámicas piezoeléctricas hasta llegar al rango de un sistema de posicionamiento ocular. Antes los apilamientos piezoeléctricos disponibles para este fin eran demasiado limitados.

"Nuestra investigación muestra un modelo de red de dos puertos que describe mecanismos de amplificación de la tensión que acrecientan la longitud de desplazamiento del apilamiento", dice Schultz. "Nuestros resultados contribuyen a la utilización de dispositivos con pilas piezoeléctricas en la robótica, modelado, diseño y simulación de servomecanismos. También es un avance para controlar sistemas que utilizan una gran cantidad de motores para una determinada cantidad de grados de libertad y control de actuadores robóticos".

En el estudio, los científicos tratan de resolver un viejo acertijo. Un ojo movido por un cable podría producir la cinemática del ojo, pero unos servomotores rígidos no permiten que los investigadores prueban la hipótesis de la base neurológica del movimiento de los ojos.

Con los actuadores tradicionales se puede utilizar algún grado de flexibilidad en el programa, pero esto depende en gran medida de tener una señal de control continuamente variable y esto no podría mostrarnos cómo se puede mantener la flexibilidad con el accionamiento cuantizado que corresponde al fenómeno neural.

"Cada actuador tipo muscular se compone de un material piezoeléctrico y un conjunto anidado jerárquico de mecanismos de amplificación de tensión", explica Ueda. "A diferencia de los actuadores tradicionales, los actuadores piezoeléctricos celulares se rigen con los principios de trabajo de los músculos; es decir, el movimiento resulta de activar de manera discreta, o en conjunto, grupos de fibras activas, llamadas unidades motoras.

"Las unidades motoras están unidas por un tejido flexible, que cumple una función doble", dice Ueda. "Combina el potencial de acción de cada unidad motora y presenta una interfaz adaptable al mundo, lo cual es crítico en entornos no estructurados".

El equipo de Georgia Tech nos presenta un posicionador de cámara impulsado por una novedosa tecnología de actuador celular, con una cerámica contráctil para generar el movimiento. El equipo utilizó 16 apilamientos piezoeléctricos amplificados por lado.

El uso de múltiples apilamientos hizo necesarias más capas de amplificación. Las unidades se colocaron dentro de un mecanismo romboidal. Este trabajo ofrece un análisis de las ventajas e inconvenientes en fuerza y desplazamiento que forman parte del diseño del actuador, y muestra cómo encontrar una geometría que cumpla con el requisito de posicionar la cámara, explica Schultz.

"El logro de amplificar los apilamientos de cerámica piezoeléctrica tiene un gran potencial para replicar con mayor precisión el movimiento del ojo humano que con los actuadores anteriores", señala Schultz. "El trabajo futuro en este área supondrá la implantación de esta tecnología en dispositivos de varios grados libertad, aplicando algoritmos de control de lazo abierto y cerrado para el posicionamiento y un análisis del fenómeno de la co-contracción."

En las investigaciones futuras, el equipo de Schultz seguirá centrándose en el desarrollo de un marco de diseño de sistemas robóticos altamente integrados. Esto va desde robots industriales a los robots médicos y de asistencia inteligente.

Fuente: Axxón. Aportado por Eduardo J. Carletti
© Robots Argentina - Julio 2012

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