Un pez león nada contra la corriente, su cola se mueve como un péndulo en cámara lenta. Pero este pez no es como sus contrapartes de sangre fría. Es un robot, y en lugar de sangre corriendo por sus venas, hace circular un líquido denso en energía para alimentar sus baterías y empujar sus aletas. El robot, descrito hoy en la revista Nature, puede ser el primer paso para abordar dos obstáculos principales en la robótica, el poder y el control, con una sola solución. Y gracias al líquido energético que bombea a través de su sistema pseudovascular, este robot podría ser un poco más como nosotros.
Los robots no suelen funcionar de la misma manera que los seres vivos. En lugar de una intrincada red de piezas multifuncionales, los robots tienden a estar hechos de componentes aislados que tienen un único propósito, explica el ingeniero mecánico Robert Shepherd de la Universidad de Cornell, investigador principal del nuevo estudio. Por ejemplo, podrían tener un sistema para abordar la energía y otro para controlar el movimiento, que no siempre es eficiente. Por el contrario, el sistema circulatorio humano es multifuncional: bombea sangre por todo el cuerpo y, al hacerlo, también ayuda a regular la temperatura de nuestro cuerpo y transporta las células para combatir las infecciones.
Hay ejemplos de sistemas circulatorios en la naturaleza que son incluso más eficientes que los nuestros. De hecho, la inspiración inicial de Shepherd para el pez león-robo no era en realidad un gran nadador. Más bien, estaba fascinado por el ahijado de cola voladora, un ave migratoria que él llama un "súper atleta". Un ahijado puede volar durante una semana sin detenerse, pero primero dobla su peso en grasa para prepararse para el vuelo.
"Eso realmente me atrapó de que puedes agregar energía a un animal de una manera multifuncional, tanto aislamiento térmico como almacenamiento de energía, y luego distribuirlo de una manera que sea eficiente", dice Shepherd. "Si se compara eso con nuestras baterías [en robots], a menudo no realizan ninguna otra función que proporcionar energía y agregar peso".
Con esto en mente, Shepherd se preguntó si había una manera de hacer que las baterías de los robots administraran con éxito tanto la potencia como el control. Muchos robots ya bombean fluidos hidráulicos, como el agua, a través de sus sistemas para aplicar la fuerza que mueve algunas de sus partes. Si pudieran reemplazar un fluido hidráulico típico con uno que almacena energía, pensó que el fluido podría hacer más que simplemente facilitar el movimiento mecánico. El uso de un sistema hidráulico multifuncional también podría ahorrar energía a largo plazo, ya que los robots tradicionales con baterías sólidas a menudo necesitan paquetes de baterías adicionales para una operación a largo plazo, lo que agrega peso adicional y reduce el rendimiento.
Shepherd y su equipo, que solicitaron una patente sobre su diseño, utilizaron las llamadas baterías de flujo redox de yoduro de zinc, que tienen una solución de electrolito líquido que actúa como reserva de energía. El líquido rico en energía contribuye a las reacciones químicas que cargan la batería, al tiempo que funciona como un fluido hidráulico que circula a través del pez león y mueve sus aletas. Para permitir el movimiento, las aletas están hechas de electrodos flexibles y una piel de silicona suave. El bombeo de fluido hidráulico en un lado de la aleta caudal infla la piel y hace que la aleta se doble alrededor de las secciones centrales más rígidas hacia el otro lado. Invertir la dirección del fluido dobla la aleta hacia el otro lado, permitiendo que los peces naden mientras el fluido oscila. Las aletas pectorales también son impulsadas por el fluido y pueden abanicarse hacia afuera, imitando los movimientos de las aletas que el pez león usa para comunicarse.
Al colocar el pez león en un tanque de agua salada, el equipo observó que el robot podía nadar con éxito contra una corriente. En los experimentos, dejaron que el robot nadara hasta dos horas, pero calcularon que, en teoría, podría funcionar hasta 36 horas. También estimaron que el rendimiento energético del robot era entre tres y cuatro veces mejor que un diseño tradicional que usa un fluido hidráulico normal como el agua.
Shepherd explica que el uso multifuncional de baterías sólidas no es nuevo. Por ejemplo, las baterías en una carretilla elevadora actúan como una fuente de energía, al tiempo que proporcionan peso para estabilizar la máquina durante el levantamiento pesado. Pero el uso diverso de baterías líquidas no se ha explorado hasta ahora. "Ahora que la idea está ahí afuera", dice Shepherd, "esperamos que cuando las personas usan el sistema hidráulico puedan preguntar: '¿Puedo reemplazar el fluido hidráulico con fluido electrolítico? ¿Tiene sentido con el costo de energía versus el peso para un ¿fluido más denso en mi sistema?
"La idea de usar el líquido como batería es realmente genial", dice Robert Katzschmann de ETH Zurich, un robotista que trabajó en otros peces robóticos, pero que no participó en esta investigación. Sin embargo, Katzschmann mantiene su preocupación por la eficiencia de la batería y enfatiza que el concepto podría mostrarse mejor fuera del agua, donde evitar el peso extra de los paquetes de baterías sólidas se vuelve crítico sin la ayuda de la flotabilidad.
"En teoría es genial, porque podrías hacer un robot que no esté bajo el agua", dice Katzschmann. “Si quieres hacer un robot andante, es un poco más difícil. Y nadie ha mostrado un robot completamente blando que pueda volar, por lo que tiene sentido mostrarlo bajo el agua como una idea, pero todavía hay mucho trabajo por hacer ".
Shepherd es optimista sobre la mejora de la batería. Él enfatiza que la química de su batería es segura de manejar pero "no es tan densa en energía como podría ser".
"El desafío es aumentar la densidad de energía a la vez que es seguro", dice. "Sabemos a dónde puede llegar, pero tenemos que ir allí con más cautela". Y al igual que Katzschmann, él imagina que este trabajo contribuirá a futuros robots en tierra, que posiblemente podrían usarse en misiones de búsqueda y rescate. "Hemos creado un sistema elástico, por lo que la forma a la que actualmente está limitado podría cambiar", agrega Shepherd. "Ciertamente, el futuro son los sistemas híbridos, al menos para los sistemas terrestres ... donde las partes blandas se utilizan para detectar y superponer sobre actuadores electromecánicos y de fluidos".
Si bien hay muchos avances en el campo de la robótica suave, el pez león de Shepherd sugiere que, al menos hasta ahora, las cosas se están moviendo a la perfección.
