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May 29, 2023

La fabricación aditiva de robots blandos podría reducir los residuos y aumentar el rendimiento

17 de mayo de 2023 Este artículo ha sido revisado de acuerdo con las políticas y el proceso editorial de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

17 de mayo de 2023

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por Kat J. McAlpine, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard

La robótica blanda tiene varias ventajas clave sobre sus contrapartes rígidas, incluidas sus características de seguridad inherentes (los materiales blandos con movimientos impulsados ​​por cámaras de aire que se inflan y desinflan se pueden usar de manera segura en entornos frágiles o en proximidad con humanos), así como su flexibilidad que les permite adaptarse. en espacios reducidos. Los textiles se han convertido en un material elegido para construir muchos tipos de robots blandos, especialmente dispositivos portátiles, pero los métodos tradicionales de fabricación de "cortar y coser" han dejado mucho que desear.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han establecido un nuevo enfoque para la fabricación aditiva de robótica blanda, utilizando un método de tejido 3D que puede "imprimir" de forma integral robots blandos completos. Su trabajo se informa en Advanced Functional Materials.

"La comunidad de robótica blanda todavía está en la fase de buscar enfoques de materiales alternativos que nos permitan ir más allá de las formas y funciones de robots rígidos más clásicas", dice Robert Wood, autor principal correspondiente del artículo, Harry Lewis y Marlyn McGrath. Profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de SEAS.

"Los textiles son atractivos porque podemos ajustar radicalmente sus propiedades estructurales eligiendo sus fibras constituyentes y cómo esas fibras interactúan entre sí", dice Wood.

"Al utilizar métodos de 'cortar y coser', es necesario fabricar grandes láminas de material textil que luego se cortan en patrones que se ensamblan mediante costura o unión, y esto generalmente implica un alto nivel de trabajo humano", dice Vanessa Sánchez, primera autora. en el artículo y un ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Wood. "Cada costura añade costos y posibles puntos de falla. Para la fabricación de dispositivos robóticos complejos, esto puede ser un gran desafío".

Sánchez estaba intrigado por el concepto de tejido 3D, que puede producir prendas de vestir sin costuras con poco desperdicio de material. Se preguntó si el método podría adaptarse para crear robots blandos basados ​​en textiles.

El equipo adquirió una máquina de tejer con tarjetas perforadas antigua y Sánchez se puso en contacto con expertos en tejido de la Escuela de Diseño de Rhode Island y la Escuela de Diseño Parsons y el Instituto de Tecnología de la Moda.

Para automatizar el proceso de tejido, Sánchez y el equipo también necesitaban desarrollar software que pudiera dirigir el equipo de tejido (máquinas a menudo con varias décadas de antigüedad) para crear estructuras complejas a partir de varios tipos de hilos. "En un caso, tuve que engañar a la maquinaria (usando un programa de software) para que pensara que mi computadora era un disquete", dice Sánchez. Después de que los experimentos iniciales fueron prometedores, el equipo pasó a una máquina automatizada más moderna.

James McCann, profesor asistente en el Instituto de Robótica Carnegie Mellon, colaboró ​​en el software. "El equipo quería desarrollar y caracterizar una amplia gama de actuadores blandos; no solo estaban construyendo un patrón, sino un conjunto completo de patrones paramétricos", dice McCann. "Esto es difícil de hacer con el software de diseño de tejido tradicional, que generalmente se centra en desarrollar productos individuales a mano en lugar de familias de productos paramétricos fácilmente ajustables".

Para crear una solución alternativa, el equipo describió los patrones 3D utilizando un formato de archivo "knitout" (una descripción de tejido escrita en lenguajes de programación de propósito general) y luego desarrolló un código para traducir esas descripciones de tejido para ejecutarlas en la máquina de tejer deseada.

"Lo bueno de desarrollar patrones paramétricos en un formato de tejido genérico como knitout es que otros grupos con diferentes tipos de máquinas de tejer pueden usar y construir sobre los mismos patrones, sin un gran esfuerzo de traducción", dice McCann.

Después de configurar su proceso de tejido 3D, Sánchez y sus colaboradores llevaron a cabo una serie de experimentos para, por primera vez, crear una extensa biblioteca de conocimientos sobre la forma en que diversos parámetros de tejido impactan las propiedades mecánicas del material resultante. Al probar 20 combinaciones diferentes de hilo, estructura y más, el equipo caracterizó cómo las diversas arquitecturas de tejido impactan el plegado y despliegue, la geometría estructural y las propiedades de tracción.

Utilizando combinaciones de estas estructuras, demostraron muchos prototipos diferentes de robots tejidos, incluidos varios tipos de dispositivos de agarre con apéndices para doblar y agarrar, una garra de múltiples cámaras, un robot con forma de gusano y un actuador con forma de serpiente capaz de recoger objetos mucho más grandes. Más pesado que el propio dispositivo.

"Queríamos crear una biblioteca para que los ingenieros pudieran desarrollar una variedad de robots blandos, por lo que caracterizamos las propiedades mecánicas de muchos tejidos diferentes", dice Sánchez. "El tejido 3D es una nueva forma de pensar sobre la fabricación aditiva, sobre cómo hacer cosas que puedan reconfigurarse o reutilizarse. Ya existen máquinas industriales para respaldar este tipo de fabricación; con este paso inicial, creemos que nuestro enfoque puede escalar y traducir fuera del laboratorio."

"Preveo que los textiles programables tendrán un impacto similar en la forma en que se fabrican los robots blandos, como lo han tenido los compuestos reforzados con fibra en la construcción de aviones y automóviles de alto rendimiento", dice Wood.

Más información: Vanessa Sanchez et al, Tejido 3D para robótica blanda neumática, materiales funcionales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adfm.202212541