Una razón por la que todavía no disponemos de robots asistentes personales zumbando alrededor nuestra haciendo tareas domésticas es porque difícil crearlos. El montaje manual de los robots requiere de mucho tiempo, mientras que la construcción automatizada (robots construyendo otros robots) aún no está lo suficientemente desarrollada como para crear robots que pueden llevar a cabo tareas complejas.
Pero si ni los humanos ni los robots pueden hacerlo, ¿podrían quizás hacerlo las impresoras 3-D?
En un nuevo artículo, investigadores del Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computación (CSAIL por sus siglas en inglés) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés) presentaron la primera técnica para la impresión de robots 3-D que consiste en imprimir materiales sólidos y líquidos al mismo tiempo.
El nuevo método permite al equipo imprimir automáticamente robots dinámicos en 3-D de una sola pasada, sin necesidad de ensamblaje, utilizando una impresora 3-D comercialmente disponible.
«Nuestro enfoque, al que llamamos ‘hidráulica imprimible,’ es un paso hacia la fabricación rápida de máquinas funcionales,» dice la directora del CSAIL Daniela Rus, que supervisó el proyecto y coescribió el documento. «Todo lo que tienes que hacer es insertar una batería y un motor, y ya tienes un robot que prácticamente puede echar a andar de la impresora.»
Para demostrar el concepto, los investigadores imprimieron en 3-D un pequeño robot de seis patas que pueden arrastrarse por medio de 12 bombas hidráulicas alojadas dentro de su cuerpo. También imprimieron en 3-D partes robóticas que se pueden utilizar en plataformas existentes, tales como una mano de goma suave para el robot de investigación Baxter.
El documento, que ha sido recientemente aceptado para la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización (ICRA por sus siglas en inglés) del IEEE durante este verano, fue coescrito por el postdoctorado del MIT Robert MacCurdy y el estudiante de doctorado Robert Katzschmann, así como el estudiante Youbin Kim de la Universidad de Harvard.
El proceso de impresión
En todos los avances realizados en la impresión 3-D, los líquidos siguen siendo el gran obstáculo. Imprimir líquidos es un proceso complicado, lo que significa que la mayoría de las técnicas requieren de una etapa de post-impresión adicional, como la fundición del material o el raspado manual por un ser humano para limpiarlo. Eso paso hace que sea difícil que los métodos basados en líquidos sean empleados para la fabricación a gran escala.
Con la ‘hidráulica imprimible,’ una impresora de inyección deposita gotitas individuales de material, cada una de 20 a 30 micras de diámetro, menos de la mitad del ancho de un cabello humano. La impresora avanza capa por capa de abajo hacia arriba. Para cada capa, la impresora deposita diferentes materiales en diferentes partes, y luego utiliza luz ultravioleta de alta intensidad para solidificar todos los materiales (menos, por supuesto, los líquidos). La impresora utiliza múltiples materiales, aunque en su nivel más básico cada capa consiste en un «fotopolímero,» que es un sólido, y «un material no curable,» que es un líquido.
«La impresora de inyección nos permite tener ocho cabezales de impresión depositando diferentes materiales adyacentes entre sí, todo al mismo tiempo,» dice McCurdy. «Nos da un control muy preciso de la colocación del material, que es lo que nos permite imprimir complejos canales ya llenos de fluidos.»
Otro de los desafíos con los líquidos de impresión 3-D es que a menudo interfieren con las gotitas que se supone que se tienen que solidificar. Para resolver este problema, el equipo imprimió decenas de formas geométricas con diferentes orientaciones para determinar las resoluciones apropiadas para la impresión conjunta de sólidos y líquidos.
Si bien es un proceso laborioso, McCurdy asegura que la impresión conjunta de líquidos y sólidos es aún más difícil con otros métodos de impresión 3-D, como el modelado por deposición fundida y el sinterizado por láser.
«En lo que a mí respecta,» dice, «la impresión por inyección es actualmente la mejor manera de imprimir múltiples materiales.»
Los resultados
Para demostrar su método, los investigadores 3-D imprimieron en 3-D un pequeño robot hexápodo que pesa alrededor de 0.7 kilogramos y mide unos 15 centímetros de largo. Para realizar el movimiento, un único motor de corriente continua hace girar un cigüeñal que bombea fluido a las patas del robot. Aparte del motor y la fuente de alimentación, cada uno de los componentes ha sido imprimido de una sola pasada sin necesidad de ensamblaje.
Entre las piezas clave del robot se encuentra un conjunto de «fuelles» que han sido imprimidos en 3-D directamente en su cuerpo. Para impulsar el robot, los fuelles utilizan la presión del líquido que se traduce en una fuerza mecánica (como alternativa a los fuelles, el equipo también demostró que era posible imprimir en 3-D una bomba de engranajes capaz de producir un flujo continuo).
Por último, el equipo imprimió en 3-D una mano robótica de silicona y caucho con dedos accionados por fluido. Este «agarre suave» fue desarrollado para Baxter, un robot diseñado por el ex director del CSAIL Rodney Brooks como parte de su aventura empresarial Rethink Robotics. En este vídeo vemos cómo dobla una camiseta.
«El equipo CSAIL ha tomado la impresión de múltiples materiales al siguiente nivel mediante la impresión no sólo de una combinación de diferentes polímeros o una mezcla de metales, sino fundamentalmente de un sistema hidráulico integrado,» dice Hod Lipson, profesor de ingeniería de la Universidad de Columbia y coautor del libro «Fabricados: el nuevo mundo de la impresión 3-D.» «Es un paso importante hacia la próxima gran fase de la impresión 3-D, de la impresión de partes pasivas a la impresión de sistemas integrados de activos.»
Compatible con cualquier impresora de inyección de tinta 3-D de múltiples materiales, la ‘hidráulica imprimible’ permite un diseño personalizable de la plantilla que puede crear robots de diferentes tamaños, formas y funciones.
«Si tienes un robot de rastreo que quieres que pase por encima de algo más grande, puedes ajustar el diseño en cuestión de minutos,» dice MacCurdy. «En el futuro, el sistema casi no necesitará de intervención humana alguna; sólo habrá que pulsar un par de botones, y los cambios se realizarán de forma automática.»
MacCurdy prevé muchas aplicaciones potenciales, incluyendo la asistencia en desastres cuando se encuentra en entornos peligrosos. Muchos sitios nucleares, por ejemplo, necesitan ser descontaminados para reducir sus niveles de radiación. Desafortunadamente, estos lugares no sólo son letales para los humanos, sino suficientemente radiactivos como para destruir la electrónica convencional.
«Robots imprimibles como estos pueden ser fabricados barata y rápidamente, con un menor número de componentes electrónicos que los robots tradicionales,» dice MacCurdy.
Podéis ver el vídeo del MIT con el proceso de impresión del robot y otros componentes aquí:
Mirando hacia el futuro
El equipo está dispuesto a continuar desarrollando su trabajo. Si bien las 22 horas de impresión que requiere el hexápodo es un tiempo relativamente corto por su complejidad, los investigadores dicen que los futuros avances en hardware mejorarán la velocidad.
«Acelerar el proceso no depende tanto de los detalles de nuestra técnica, sino en la ingeniería y la resolución de las impresoras mismas,» dice Rus, profesora de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT. «La impresión en última instancia toma el tiempo que la impresora se toma, así que conforme mejoren las impresoras, también lo harán las capacidades de fabricación.»
Esta no es la primera incursión de equipo de Rus en la impresión 3-D de robots. El otoño pasado su equipo desarrolló una pinza similar a la mano de silicona expuesta anteriormente, mientras en 2014 crearon un brazo que puede serpentean a través de un tubo y agarrar un objeto. Este breve vídeo muestra su funcionamiento. Pero mientras estos proyectos aún requieren de múltiples objetos no impresos en 3-D, la ‘hidráulica imprimible’ se acerca aún más a la impresión de todos los componentes de una sola pasada.
«La construcción de robots no tiene por qué que ser tan larga y laboriosa como lo ha sido en el pasado,» dice Rus. «La impresión 3-D ofrece un camino a seguir, que nos permite producir automáticamente robots complejos, funcionales, de accionamiento hidráulico que se pueden poner en práctica de inmediato.»
