El milirobot parecía un adorable vehículo de dibujos animados mientras navegaba con pericia por un complejo laberinto. Es una criatura extraña: la parte inferior se asemeja a una valla derrumbada; la superior, a una cesta en forma de colador. Con el tamaño de una moneda de un céntimo, parece frágil y sin pretensiones.

Pero su núcleo es un posible cambio de paradigma en la construcción de robots autónomos capaces de percibir y responder a su entorno local. A diferencia de los robots clásicos, que se ensamblan con múltiples componentes, el milirobot está impreso en 3D con un metamaterial de aspecto lechoso que puede cambiar sus propiedades de forma flexible con unos pocos golpes eléctricos.

Los metamateriales parecen sacados de un cómic, pero el concepto es sencillo. A diferencia de la madera, el vidrio u otros materiales estáticos en los que confiamos para mantener su estructura, los metamateriales utilizados en el estudio -materiales piezoeléctricos- cambian fácilmente su estructura cuando se les aplica un campo electromagnético. Esto permite que el material se retuerza, se contorsione, se encoja o se expanda. Si se traza un mapa de cada movimiento, es posible construir y dirigir un robot.

Para construir el bot, el equipo diseñado una configuración de impresión 3D para imprimir estructuras robóticas con materiales piezoeléctricos. Como complemento, el equipo dotó a los robots de una capa de brillo por ultrasonidos, incrustando componentes en el material, lo que ayudó a los robots a convertir las vibraciones en electricidad para percibir su entorno.

Los milibots aprendieron a caminar, saltar y escapar de posibles obstáculos de forma autónoma y en tiempo real. Incluso pudieron dar un mini paseo por la playa en el laboratorio, navegando fácilmente por un terreno áspero y arenoso parcialmente cubierto de vegetación.

The bots, though still rudimentary, could one day help deliver drugs in confined spaces in our bodies if shrunken down. They may also act as cheap, tiny, but powerful scouts to explore new or hazardous environments.

Al Dr. Ahmad Rafsanjani, del Centro de Robótica Blanda de la Universidad del Sur de Dinamarca, que no estaba involucrado en el estudio, los milibots ponen a los metamateriales en el punto de mira como una nueva forma de construir robots autónomos. El estudio «pone de relieve una visión más amplia de los ‘materiales robóticos’ en la que la frontera entre materiales y máquinas se vuelve indiscernible», escribió en un comentario relacionado. «La fabricación aditiva de metamateriales piezoeléctricos puede llevar a materializar robots totalmente integrados que podrían salir directamente de una impresora 3D».

¿Meta-qué?

Los metamateriales son raros. Pero gracias a sus exóticas propiedades, los científicos no han tardado en explorar los posibles usos de estos extraños patos. Uno de los clásicos es la óptica. Los metamateriales suelen estar formados por componentes que interactúan de forma flexible con las ondas electromagnéticas, incluida la luz. En cierto modo, son similares a las lentes de las cámaras o a los espejos, pero con el superpoder de cambiar rápidamente cómo dirigen cada onda de luz. En teoría, una estructura cuidadosamente creada a partir de metamateriales podría revisar todo tipo de lentes, desde las de los microscopios hasta las de nuestras caras.

Más recientemente, los científicos comenzaron a explorar otros usos. Uno de los principales esfuerzos consiste en incorporar materiales piezoeléctricos a los chips neuromórficos, que simulan a grandes rasgos la forma en que el cerebro computa y almacena la información. Cambiando las propiedades de estos materiales con campos eléctricos, los científicos pueden aproximar el funcionamiento de las sinapsis con muy poca energía. Otros estudios ha aprovechado la capacidad acrobática de los metamateriales para transformar su forma, creando estructuras que convierten el movimiento lineal -por ejemplo, un paseo de cangrejo- en rotaciones y engranajes mecánicos. Es como si las piernas se convirtieran de repente en ruedas giratorias.

Sí, los metamateriales son raros. ¿Cómo funcionan?

Ayuda a imaginarlos como televisores de caja de la vieja escuela con antena . Para ajustar el canal -es decir, el comportamiento del material- se mueven las antenas hasta que su estructura interactúa fuertemente con las ondas de radio, y voil á , se ha conseguido el estado del material. A continuación, puede mezclarse con materiales convencionales para construir intrincadas estructuras en forma de celosía, conservando sus propiedades de metamorfosis. Esta flexibilidad los convierte en un lienzo especialmente intrigante para el diseño de robots. Como son una estructura casi única, a largo plazo podrían ayudar a construir robots inteligentes. prótesis menos propensos a fallar, ya que no tienen piezas mecánicas móviles. En lugar de soldarlos, ahora se pueden imprimir en 3D. (Esto me da toda laWestworld vibraciones-mecánicas de Dolores frente a la versión impresa lechosa, ¿alguien quiere?).

Stranger Things

Los nuevos milibots parecen un híbrido entre Wall-E y TARS, un robot con crestas, plegable y con palillos enInterstellar. Totalmente impresos en 3D, rompieron el dogma convencional para la construcción de robots. Normalmente, un robot necesita varios componentes independientes: sensores para navegar por el entorno, microprocesadores para el «cerebro», actuadores para el movimiento y una fuente de alimentación para impulsar todo el sistema. Cada eslabón es susceptible de fallar.

En este caso, el equipo integró cada componente en un solo diseño. El primer ingrediente clave son los materiales piezoeléctricos, que convierten los campos eléctricos en tensión mecánica y viceversa. Son los «músculos» que guían el movimiento del robot. Pero cumplen una triple función. Según el estado del metamaterial, puede formar una espina dorsal similar a la cerámica para ayudar al milibot a mantener su forma. En su fase conductora, actúa como células nerviosas, captando señales electromagnéticas para controlar los «músculos». Un elemento ultrasónico, incorporado al robot, le ayuda a percibir su entorno.

En conjunto, el sencillo milibot cuenta con múltiples sistemas mezclados en una llamativa sustancia viscosa: un sistema nervioso capaz de detectar y actuar, un componente «muscular» y una estructura esquelética. Introduciendo la sustancia viscosa en una impresora 3D, el equipo construyó sofisticados entramados como columna vertebral del robot, cada uno de ellos cuidadosamente decorado con metales conductores y propiedades piezoeléctricas en regiones específicas.

¿El resultado? Un pequeño robot que aprovecha los campos eléctricos para percibir y navegar por su entorno. Aún más impresionante es su capacidad para «entender» sus propios movimientos corporales y su lugar en el espacio, un truco llamado propiocepción. que ha sido bautizado como el «sexto sentido» de la percepción humana y rara vez se implementa en los robots.

Tras algunos retos, los autores mostraron la destreza de los robots. Un robot sorteó en tiempo real los obstáculos de la carretera mientras un humano derribaba las barreras de forma secuencial basándose en la información de los ultrasonidos. En otra prueba, el robot saltó largas distancias y sorteó con maestría las curvas cerradas. Con sólo milisegundos de retraso, la rana robot saltó varias superficies rugosas sin sudar, una tarea motriz que hasta ahora había desconcertado a otros robots.

Los milibots también fueron excelentes mulas de carga. Incluso con un 500% de peso en la carga útil -como una fuente de energía a bordo, un conductor y un microcontrolador- fueron capaces de moverse con facilidad con sólo un 20% de disminución de la velocidad. En la práctica, esta superpotencia convierte a estos robots en grandes andamios como máquinas de administración de fármacos que algún día podrían recorrer nuestro torrente sanguíneo.

Un camino por recorrer

Una sola pieza de material piezoeléctrico puede ser extremadamente flexible, con seis grados de libertad: la capacidad de extenderse linealmente en tres ejes (como doblar el brazo hacia delante, hacia los lados y hacia atrás) y girar. Gracias a la fabricación aditiva del estudio, es fácil diseñar diferentes arquitecturas robóticas guiadas por algoritmos creativos.

El equipo «entrelazó ingeniosamente la actuación y la percepción en una miniatura ligera

una red tridimensional compuesta que se mueve y percibe su entorno», dijo Rafsanjani.

Los robots pueden parecer un enigma incongruente: una criatura flexible hecha de una espina dorsal dura como la cerámica con un metamaterial. Pero los humanos también lo somos: estamos hechos de células con formas, tamaños y capacidades muy diferentes. La adaptación de las ideas utilizadas en el diseño de robots piezoeléctricos da a la robótica blanda una nueva perspectiva, que podría conducir a materiales completamente artificiales que se adapten a nuestros cuerpos.

El estudio «acerca los metamateriales robóticos a los sistemas biológicos, función por función», dijo Rafsanjani.

Crédito de la imagen: Rayne Research Group