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May 04, 2023

Por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences5 de diciembre de 2022

Primer plano de los filamentos de la pinza envolviendo un objeto. Crédito: Laboratorio de microrobótica de Harvard/Harvard SEAS

Usted es consciente de lo difícil que es agarrar y sostener elementos con pinzas robóticas si alguna vez ha jugado el juego de garras en una sala de juegos. Imagínese cuánto más estresante sería ese juego si intentara agarrar una delicada pieza de coral en peligro de extinción o un tesoro precioso de un barco hundido en lugar de animales de peluche suaves.

La mayoría de las pinzas robóticas actuales utilizan una combinación de la habilidad del operador y sensores integrados, bucles de retroalimentación intrincados o algoritmos de aprendizaje automático de última generación para sujetar elementos frágiles o de forma irregular. Sin embargo, los científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han demostrado que existe un método más simple.

Inspirándose en la naturaleza, los científicos crearon un nuevo tipo de pinza robótica suave que emplea una red de tentáculos delgados para enredar y agarrar objetos, de forma similar a como las medusas atrapan a sus presas. Los filamentos individuales, o tentáculos, no son muy fuertes por sí solos. Sin embargo, cuando se usan en grupo, los filamentos pueden agarrar y sujetar con firmeza cosas de todas las formas y tamaños. La pinza no necesita detección, planificación o control de retroalimentación; se basa en un simple inflado para envolver los artículos.

El estudio fue publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

La pinza suave agarra suculentas. Crédito: Laboratorio de microrobótica de Harvard/Harvard SEAS

"Con esta investigación, queríamos volver a imaginar cómo interactuamos con los objetos", dijo Kaitlyn Becker, exestudiante de posgrado y becaria postdoctoral en SEAS y primera autora del artículo. "Al aprovechar el cumplimiento natural de la robótica blanda y mejorarlo con una estructura compatible, diseñamos una pinza que es más grande que la suma de sus partes y una estrategia de agarre que puede adaptarse a una variedad de objetos complejos con una planificación y percepción mínimas. ."

Becker es actualmente profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT.

La fuerza y ​​la adaptabilidad de la pinza provienen de su capacidad para enredarse con el objeto que intenta agarrar. Los filamentos de un pie de largo son tubos de goma huecos. Un lado del tubo tiene una goma más gruesa que el otro, por lo que cuando el tubo está presurizado, se riza como una coleta o como un cabello alisado en un día lluvioso.

Un video que demuestra el robot. Crédito: Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard

Los rizos se anudan y se enredan entre sí y con el objeto, y cada enredo aumenta la fuerza del agarre. Si bien el agarre colectivo es fuerte, cada contacto es débil individualmente y no dañará ni siquiera el objeto más frágil. Para liberar el objeto, los filamentos simplemente se despresurizan.

Los investigadores utilizaron simulaciones y experimentos para probar la eficacia de la pinza, recogiendo una variedad de objetos, incluidas varias plantas de interior y juguetes. La pinza podría usarse en aplicaciones del mundo real para sujetar frutas y verduras blandas para la producción y distribución agrícola, tejidos delicados en entornos médicos e incluso objetos de forma irregular en almacenes, como cristalería.

Este nuevo enfoque de agarre combina la investigación del profesor L. Mahadevan sobre la mecánica topológica de los filamentos enredados con la investigación del profesor Robert Wood sobre pinzas robóticas blandas.

"El entrelazamiento permite que cada filamento altamente compatible se ajuste localmente a un objeto objetivo, lo que conduce a un agarre topológico seguro pero suave que es relativamente independiente de los detalles de la naturaleza del contacto", dijo Mahadevan, profesora de Matemáticas Aplicadas de Lola England de Valpine en SEAS, and of Organismic and Evolutionary Biology, and Physics in FAS y coautor correspondiente del artículo.

"Este nuevo enfoque para el agarre robótico complementa las soluciones existentes al reemplazar las pinzas simples y tradicionales que requieren estrategias de control complejas con filamentos extremadamente compatibles y morfológicamente complejos que pueden operar con un control muy simple", dijo Wood, profesor de ingeniería de Harry Lewis y Marlyn McGrath. y Ciencias Aplicadas y co-autor correspondiente del artículo. "Este enfoque amplía el rango de lo que es posible recoger con pinzas robóticas".

Referencia: "El entrelazamiento activo permite el agarre topológico estocástico" por Kaitlyn Becker, Clark Teeple, Nicholas Charles, Yeonsu Jung, Daniel Baum, James C. Weaver, L. Mahadevan y Robert Wood, 10 de octubre de 2022, Actas de la Academia Nacional de Ciencias .DOI: 10.1073/pnas.2209819119

El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Simons y el Fondo Henri Seydoux.