Este pequeño robot es el «más saltador» jamás creado: puede saltar sobre el Big Ben

Por extraños que sean, los robots saltarines son más que un simple truco. Son útiles en rescate de desastres, exploración planetaria y vigilancia. Ahora, los investigadores han podido diseñar el mejor robot saltador. Este pequeño y discreto dispositivo puede volar hasta 120 metros en el aire.

Para hacer saltar al robot

Los robots saltadores generalmente se basan en un mecanismo de la física clásica: el resorte. Los resortes almacenan energía elástica y luego la liberan repentinamente.

Los robots saltadores accionados por resortes utilizan motores para recolectar esa energía elástica y luego liberarla para impulsarse por el aire. Este método, conocido como amplificación de potencia, permite que los resortes generen más potencia y realicen más trabajo que los motores por sí solos.

Este campo de investigación es sorprendentemente amplio. La tecnología generalmente está inspirada en la naturaleza, particularmente en insectos saltadores como pulgas y saltamontes. Las primeras aplicaciones se basaron en el espacio. Los investigadores buscaban explorar con ellos los duros entornos extraterrestres. Estos robots también han encontrado aplicaciones en entornos peligrosos como el rescate y la vigilancia de desastres, pero los principales desafíos aún residen en la física estricta.

El coautor Dr. John Lo, investigador asociado en robótica espacial de la Universidad de Manchester, explica:

Los robots están diseñados tradicionalmente para moverse rodando sobre ruedas o usando piernas para caminar, pero saltar proporciona una forma efectiva de viajar por lugares donde el terreno es muy irregular o donde hay muchos obstáculos, como dentro de cuevas, a través de bosques, sobre rocas. , o incluso la superficie de otros planetas en el espacio.

“Si bien ya existen robots saltadores, existen varios desafíos importantes en el diseño de estas máquinas saltadoras, el principal es saltar lo suficientemente alto como para superar obstáculos grandes y complicados. Nuestro diseño mejora drásticamente la eficiencia energética y el rendimiento de los robots saltadores accionados por resortes”.

El gran desafío, sin embargo, es dar el salto.

Salida prematura

Para ser lo más eficiente posible, el robot debe saltar en el momento exacto. Los robots a menudo no logran alcanzar su altura máxima de salto debido al despegue prematuro, donde el robot se levanta del suelo antes de que la energía del resorte se libere por completo. Esto da como resultado una transferencia incompleta de energía elástica almacenada a energía potencial gravitacional, lo que reduce significativamente la altura del salto.

El coautor, el Dr. Ben Parslew, profesor titular de ingeniería aeroespacial, dice que no estaba del todo claro cómo abordar este problema.

“Había tantas preguntas que responder y decisiones que tomar sobre la forma del robot, como ¿debería tener patas para levantarse del suelo como un canguro, o debería ser más como un pistón gigante con resorte? ¿Debería ser una forma simétrica simple como un diamante, o debería ser algo más curvo y orgánico?

Al final, la atención se centró en eliminar cualquier movimiento innecesario manteniendo al mismo tiempo la fuerza y ​​​​la rigidez necesarias. Aterrizaron en algún punto intermedio: un robot lo suficientemente pequeño como para ser liviano y ágil, pero lo suficientemente grande como para transportar una motocicleta.

“Nuestros rediseños estructurales redistribuyen la masa de los componentes del robot hacia la parte superior y reducen la estructura hacia la parte inferior. Piernas más ligeras, con forma de prisma y el uso únicamente de resortes estirables son propiedades que hemos demostrado que mejoran el rendimiento y, lo más importante, la eficiencia energética del robot saltador».

El diseño ideal

El estudio clasificó el ascenso en tres categorías: ascenso idealizado, ascenso prematuro y ascenso retrasado. El despegue idealizado ocurre cuando toda la energía potencial elástica almacenada se libera por completo en el momento del despegue. El despegue prematuro ocurre cuando el resorte todavía almacena energía potencial elástica en el momento del despegue, mientras que el despegue retrasado ocurre cuando la longitud del resorte excede su longitud natural de despegue, almacenando el exceso de energía. Tanto el aumento prematuro como el tardío son indeseables ya que reducen la eficiencia de la conversión de energía.

Los investigadores utilizaron dos modelos dinámicos simples para ilustrar estas categorías de despegue: un sistema prismático multicuerpo impulsado por un resorte de traslación y un cuerpo rígido rotacional impulsado por un resorte rotacional.

El modelo prismático mostró un retraso en el despegue debido a la presencia de masa no suspendida, lo que resultó en una velocidad reducida del centro de masa. El modelo rotacional demostró que las fuerzas centrípetas que actúan sobre masas rotacionales pueden provocar un despegue prematuro, reduciendo aún más la eficiencia energética.

Sin embargo, el modelo rotacional resultó finalmente superior. Al concentrar la masa en el cuerpo y minimizar la masa en las piernas y los pies, este tipo de robot puede reducir los efectos de inercia que conducen a un despegue prematuro y una conversión de energía ineficiente y saltar cientos de veces su tamaño.

A pesar de este diseño optimizado, los investigadores todavía tienen algunos obstáculos en su contra. Han encontrado una manera de utilizar la fuerza del robot, pero controlar su dirección sigue siendo un desafío. El siguiente objetivo es realizar saltos más controlados y también aprovechar la energía para asegurar varios saltos por carga.

Referencia de la revista: John Lo et al, Caracterización de la dinámica de escalada y la eficiencia energética en robots de salto accionados por resortes, Mecanismo y teoría de las máquinas. (2024). DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2024.105688