Origami

Aug 12, 2023

Investigadores de la USC han desarrollado una solución innovadora para medir el movimiento de componentes blandos en robótica.

Los sensores de tensión inspirados en el origami podrían cambiar la forma en que interactuamos con los robots blandos

Hollywood es una fuente de inspiración para los robóticos. Los movimientos sorprendentemente realistas de los personajes animados de películas como “Avatar” y “El señor de los anillos” se producen utilizando la técnica de captura de movimiento, en la que se colocan marcadores reflectantes en un actor, son capturados por cámaras y traducidos en datos de movimiento que pueden ser leído por software de animación.

En el campo de la robótica blanda, se ha utilizado un método comparable para rastrear la deformación (o cambios de forma) de componentes blandos como los músculos de un brazo robótico. Las cámaras pueden recopilar datos que permiten a los investigadores medir la capacidad de estiramiento y la recuperación, información crucial para predecir y, por lo tanto, controlar el movimiento del robot.

Aquí está el truco: este proceso rara vez funciona fuera del laboratorio. Si un robot navega por el océano, opera en el espacio o está encerrado dentro del cuerpo humano, una configuración de múltiples cámaras no siempre es práctica.

Es por eso que Hangbo Zhao, que ocupa dos cargos como profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y en el Departamento de Ingeniería Biomédica Alfred E. Mann, decidió probar un enfoque alternativo.

Imagen a escala del sensor de tensión con diseño de electrodo inspirado en el origami

Impulsados ​​por conversaciones con sus colegas de robótica blanda, Zhao y su grupo de investigación han desarrollado un diseño para un nuevo sensor que utiliza electrodos 3D inspirados en los patrones de plegado utilizados en el origami, capaces de medir un rango de deformación hasta tres veces mayor que un sensor típico. .

Los sensores se pueden conectar a cuerpos blandos en movimiento (cualquier cosa, desde los tendones mecánicos de una pierna protésica hasta la materia pulsante de los órganos internos humanos) con el fin de rastrear los cambios de forma y el funcionamiento adecuado, sin necesidad de cámaras.

El artículo resultante, "Sensores de tensión de alta elasticidad y baja histéresis que utilizan mesoestructuras 3D inspiradas en origami", se publica en la importante revista Science Advances.

"Para desarrollar el nuevo sensor, aprovechamos nuestro trabajo previo en el diseño y fabricación de estructuras 3D a pequeña escala que aplican principios de origami", explicó Zhao. "Esto permite que los sensores se utilicen repetidamente y proporcionen lecturas precisas incluso al medir deformaciones grandes y dinámicas de cuerpos blandos".

El profesor Hangbo Zhao y el primer autor del artículo, Xinghao Huang, candidato a doctorado en Ingeniería Mecánica

Los sensores de deformación extensibles existentes suelen utilizar materiales blandos como el caucho, pero este tipo de material puede sufrir cambios irreversibles en las propiedades del material debido al uso repetido, lo que produce métricas poco fiables en lo que respecta a la detección de deformaciones.

Pero ¿qué pasaría si el material del sensor no fuera inherentemente suave o elástico? En cambio, la estructura 3D de los electrodos convertiría el estiramiento y la liberación en un proceso de despliegue y plegado.

La ingeniosa solución de Zhao para el sensor basado en electrodos se puede demostrar con una hoja de papel plana. Tire de ambos lados: ¿se hace más grande? ¿No? Entonces, no elástico.

Ahora dobla el papel por la mitad. Ábrelo de nuevo. La forma del papel doblado cambia, pero el material en sí no se ha transformado en sustancia. En otras palabras, mejor que elástico.

A medida que los electrodos se despliegan, se captura la intensidad del campo eléctrico. Luego, un modelo desarrollado por el equipo convierte esta lectura en una medida de la deformación. Este enfoque es ideal para responder a grandes deformaciones que los sensores existentes no son capaces de identificar con precisión; A través del arte del plegado se pueden conseguir saltos reversibles de dimensiones sin provocar un cambio en el material.

"Integramos los electrodos 3D inspirados en el origami con un sustrato suave y estirable mediante enlaces covalentes", explicó Zhao. “Esta combinación única nos permite medir una deformación muy grande, hasta un 200 por ciento de deformación, con una histéresis ultrabaja de alrededor del 1,2 por ciento. También hay una respuesta muy rápida, en 22 milisegundos”.

El diseño de alto rendimiento de los sensores los convierte en una especie de “triple amenaza”: capaces de medir rápidamente una alta deformación con la máxima precisión.

Dijo Zhao: “Nuestros sensores son los mejores en lograr las tres características de detección. También tienen algunas otras características atractivas. El área de detección es muy pequeña, sólo unos pocos milímetros cuadrados, lo que nos permite medir la deformación localmente. Además, son capaces de detectar tensiones desde diferentes direcciones. Debido a que los sensores son suaves y pequeños, pueden adherirse fácilmente a un objeto objetivo, actuando como una pegatina o una venda”.

Dado que los sensores pueden medir con precisión deformaciones grandes, complejas y de rápido movimiento, existen innumerables oportunidades para aplicaciones prácticas en electrónica portátil, prótesis y robótica.

Demostración del uso de sensores de tensión para detectar el movimiento suave del robot

Si bien el diseño del nuevo sensor estaba pensado originalmente para controlar la robótica blanda (desde delicadas pinzas robóticas hasta dispositivos de vigilancia con forma de serpiente), también es ideal para la innovación en biomedicina.

"Podemos aplicar estos sensores como dispositivos biomédicos portátiles o implantables para el seguimiento de la atención sanitaria", explicó Zhao. “Por ejemplo, rastrear el movimiento y la flexibilidad de nuestra piel o nuestras articulaciones. También existe una gran demanda para desarrollar sensores implantables que puedan monitorear continuamente el estado funcional de los órganos internos que experimentan expansión y contracción cíclica”.

Da la casualidad de que "aplastar y estirar" son los primeros principios clave de la animación en el manual de Disney, "La ilusión de la vida". Así que no se sorprenda si ve que la técnica de Zhao se retroalimenta en nuevas innovaciones en la industria cinematográfica. La inspiración es cíclica, por lo que no es demasiado difícil imaginarla.

Publicado el 29 de agosto de 2023

Última actualización el 29 de agosto de 2023