Investigadores de tecnología italianos desarrollaron recientemente un brazo robótico blando inspirado en los pulpos. Al integrar la detección y el control distribuidos en la "ventosa", logra un "pensamiento" local y capacidades de agarre autónomas similares a las de los tentáculos del pulpo. Está diseñado para utilizarse en la exploración de entornos del fondo marino complejos e impredecibles.
Esta investigación fue dirigida por un equipo del Laboratorio de Robótica Suave Biomimética del Instituto Italiano de Tecnología (IIT). Se inspiraron en la estructura del sistema nervioso del pulpo: aunque el pulpo tiene sólo un cerebro central relativamente pequeño, aproximadamente el 60% de sus neuronas se distribuyen entre sus ocho tentáculos. Cada brazo puede procesar información en el acto y desencadenar acciones reflejas, como atrapar presas de forma independiente sin esperar instrucciones del cerebro. El equipo de investigación está intentando replicar esta arquitectura distribuida en un sistema robótico utilizando silicona y componentes electrónicos, de modo que la percepción y el movimiento estén estrechamente integrados en el propio "cuerpo" flexible, en lugar de depender de un único procesador central.
El resultado es un brazo robótico blando con una longitud de unos 41 centímetros y un diámetro de base de unos 4 centímetros. Su forma y estructura son similares a los tentáculos de un pulpo. Está equipado con 10 "ventosas" artificiales desde la base hasta el final, y el tamaño se hace gradualmente más pequeño. El sistema está diseñado para no depender de cámaras, computadoras externas o unidades de control centralizadas, sino que descentraliza toda la percepción central y las capacidades primarias de toma de decisiones en la ventosa. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Nature Machine Intelligence y el IIT también publicó materiales introductorios para el público.
Cada ventosa artificial integra tres diodos emisores de luz y tres fototransistores para formar un sistema de detección microóptico, que se utiliza para medir los cambios en la luz reflejada, que es equivalente a los nodos nerviosos locales de esta "muñeca mecánica". Cuando un objeto extraño entra en contacto con la superficie de la ventosa, el material de silicona se deforma y la trayectoria de la luz reflejada cambia en consecuencia. El sistema determina si se produce contacto, la fuerza del contacto y la dirección de incidencia, generando así tres datos de detección clave. Las pruebas muestran que la sensibilidad a la fuerza del sistema es de aproximadamente 400 milivoltios por Newton, y el error de medición de la fuerza es de aproximadamente 0,1 Newton, lo que equivale aproximadamente al peso de varios clips; el error máximo en el reconocimiento de dirección es inferior a 18 grados y el error promedio es de aproximadamente 8 grados, lo que se acerca al ángulo entre escalas adyacentes de un reloj.
En términos de arquitectura de control, este brazo robótico blando utiliza dos niveles de control: el primer nivel se ejecuta completamente localmente: cada ventosa tiene un circuito independiente y activará la adsorción inmediatamente una vez que se detecte el contacto sin esperar instrucciones centrales; el segundo nivel está en un nivel superior y es responsable de recibir los datos cargados por todas las ventosas, analizar exhaustivamente la posición del objetivo y las características de contacto dentro de una ventana de tiempo de aproximadamente 4 segundos, y decidir la estrategia general de agarre en base a esto, como dejar que el brazo robótico se doble hacia arriba o hacia abajo, o gire, y si es necesario, cubra las acciones autónomas de las ventosas locales. El equipo de investigación afirmó que esta solución de integrar detección y procesamiento de señales directamente en la ventosa permite que el brazo robótico responda al contacto en tiempo real y con precisión sin control centralizado, tiene buena escalabilidad y robustez y puede operar en entornos complejos, incluso bajo el agua.
Actualmente, todos los experimentos se realizan bajo el agua. Durante la prueba, este brazo robótico pudo detectar objetos como botellas de vidrio y vasos durante el movimiento, dio una estimación del peso del objeto agarrado en aproximadamente 72,5 gramos, y el peso real fue de 85 gramos, y pudo manipular objetivos en diferentes ángulos, incluida una "estrella de mar" artificial. En términos de capacidad de carga, el brazo robótico puede levantar objetos de hasta aproximadamente 500 gramos y su rendimiento de detección se mantiene estable después de 300 ciclos de uso repetido, lo que demuestra una buena durabilidad. Dado que cada ventosa solo envía información refinada, como la dirección de contacto, a la parte de control superior en lugar de datos sin procesar completos, los requisitos de ancho de banda de todo el sistema se reducen considerablemente, de modo que se puede expandir fácilmente a más ventosas o incluso a múltiples muñecas de contacto sin sacrificar significativamente la velocidad de respuesta.
El equipo de investigación señaló que el diseño tiene fuertes características modulares y que el número y la disposición de las ventosas se pueden ajustar de manera flexible según las diferentes tareas. Los posibles escenarios de aplicación incluyen la inspección de infraestructura submarina, como tuberías, cables y plataformas submarinas, y la recolección de muestras biológicas en áreas estrechas o complejas a las que los robots rígidos no pueden llegar. Con su estructura flexible y capacidades de toma de decisiones autónomas, se espera que este brazo robótico "parecido a un pulpo" proporcione nuevos caminos tecnológicos en campos como la exploración de aguas profundas, la ingeniería oceánica y el mantenimiento submarino.
Los pulpos han sido durante mucho tiempo una importante fuente de inspiración para diseños biónicos en el campo de la robótica. Ya en 2017, la empresa alemana de automatización Festo presentó el OctopusGripper en la feria de Hannover. Se trata de una pinza de silicona para la muñeca impulsada por aire comprimido. Utiliza dos filas de ventosas para envolver el objetivo y completar el agarre cuando está inflado, pero aún depende en gran medida del control de la presión del aire externo y la manipulación manual. En los últimos años, investigadores de la Universidad de Bristol (Reino Unido) han abordado la situación desde otra dimensión, ya no copiando la forma de los tentáculos, sino estudiando la mucosidad secretada por la ventosa del pulpo. Han desarrollado un nuevo tipo de ventosa compuesta por una estructura blanda multicapa y un sistema de fluido biónico. Puede simular la forma en que el moco del pulpo sella los huecos en superficies curvas rugosas, para agarrar objetos irregulares como piedras y madera que son difíciles de fijar firmemente a las ventosas tradicionales.
Dando un paso más allá, equipos de investigación de la Universidad de Pekín, la Universidad Nacional de Singapur, la Universidad de Zhejiang, el Instituto de Tecnología de Beijing y otras instituciones diseñaron conjuntamente el sistema de agarre mecánico OUT-Robot para simular la estrategia de agarre de los cefalópodos, permitiéndole cambiar rápidamente entre estados blandos y rígidos para clasificar y agarrar objetos de diferentes formas, diferente flexibilidad y diferentes pesos. En comparación con estos intentos anteriores, la característica más importante del nuevo diseño del IIT es la "autonomía": no sólo puede rastrear, sino que también puede decidir cómo hacerlo. Los investigadores también destacaron que la geometría de los objetos seleccionados en el experimento actual es relativamente simple. El siguiente paso incluye realizar pruebas con formas y pesos más complejos y diversos, y tratar de introducir computación neuromórfica similar al cerebro para acercar todo el sistema a los circuitos neuronales de los pulpos reales en términos de procesamiento de información.