Una planta

Característica del 5 de junio de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Muchos sistemas robóticos existentes se inspiran en la naturaleza, reproduciendo artificialmente procesos biológicos, estructuras naturales o comportamientos animales para lograr objetivos específicos. Esto se debe a que los animales y las plantas están equipados de manera innata con habilidades que los ayudan a sobrevivir en sus respectivos entornos y, por lo tanto, también podrían mejorar el rendimiento de los robots fuera de los entornos de laboratorio.

Investigadores del Laboratorio de Robótica Inspirada en el Cerebro (BRAIR), el Instituto BioRobótico de la Escuela de Estudios Avanzados Sant'Anna en Italia y la Universidad Nacional de Singapur desarrollaron recientemente un controlador inspirado en plantas que podría mejorar el rendimiento de los brazos robóticos en el mundo real no estructurado. entornos. Este controlador, presentado en un artículo presentado en la conferencia IEEE RoboSoft 2023 en Singapur y seleccionado entre los finalistas del premio al mejor artículo de estudiante, permite específicamente que los brazos robóticos completen tareas que implican alcanzar ubicaciones u objetos específicos en su entorno.

"Los brazos robóticos blandos son una nueva generación de manipuladores robóticos que se inspiran en las capacidades de manipulación avanzada exhibidas por organismos 'sin huesos', como tentáculos de pulpo, trompas de elefante, plantas, etc.", Enrico Donato, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, dijo a Tech Xplore. "La traducción de estos principios en soluciones de ingeniería da como resultado sistemas que están hechos de materiales flexibles y livianos que pueden sufrir una deformación elástica suave para producir un movimiento flexible y diestro. Debido a estas características deseables, estos sistemas se ajustan a las superficies y exhiben robustez física y son seguros para los humanos. operación a un costo potencialmente bajo".

Si bien los brazos robóticos blandos podrían aplicarse a una amplia gama de problemas del mundo real, podrían ser particularmente útiles para automatizar tareas que impliquen llegar a lugares deseados que podrían ser inaccesibles para los robots rígidos. Muchos equipos de investigación han estado tratando recientemente de desarrollar controladores que permitan que estos brazos flexibles aborden estas tareas de manera efectiva.

"En general, el funcionamiento de tales controladores se basa en formulaciones computacionales que pueden crear un mapeo válido entre dos espacios operativos del robot, es decir, el espacio de tareas y el espacio de actuadores", explicó Donato. "Sin embargo, el funcionamiento adecuado de estos controladores generalmente se basa en la retroalimentación de la visión que limita su validez dentro de los entornos de laboratorio, lo que restringe la capacidad de implementación de estos sistemas en entornos naturales y dinámicos. Este artículo es el primer intento de superar esta limitación no abordada y ampliar el alcance. de estos sistemas a entornos no estructurados".

Dado que se descubrió que la mayoría de los controladores existentes para brazos robóticos blandos funcionan bien principalmente en entornos de laboratorio, Donato y sus colegas se propusieron crear un nuevo tipo de controlador que también podría aplicarse en entornos del mundo real. El controlador que propusieron está inspirado en los movimientos y el comportamiento de las plantas.

"Contrariamente al concepto erróneo común de que las plantas no se mueven, las plantas se mueven activa y decididamente de un punto a otro utilizando estrategias de movimiento basadas en el crecimiento", dijo Donato. "Estas estrategias son tan efectivas que las plantas pueden colonizar casi todos los hábitats del planeta, una capacidad de la que carece el reino animal. Curiosamente, a diferencia de los animales, las estrategias de movimiento de las plantas no provienen de un sistema nervioso central, sino que surgen debido a sofisticados formas de mecanismos informáticos descentralizados".

La estrategia de control que sustenta el funcionamiento del controlador de los investigadores intenta replicar los sofisticados mecanismos descentralizados que sustentan los movimientos de las plantas. El equipo utilizó específicamente herramientas de inteligencia artificial basadas en el comportamiento, que consisten en agentes informáticos descentralizados combinados en una estructura ascendente.

"La novedad de nuestro controlador bioinspirado radica en su simplicidad, donde explotamos las funcionalidades mecánicas fundamentales del brazo robótico suave para generar el comportamiento general de alcance", dijo Donato. "Específicamente, el brazo robótico blando se compone de una disposición redundante de módulos blandos, cada uno de los cuales se activa a través de una tríada de actuadores dispuestos radialmente. Es bien sabido que para tal configuración, el sistema puede generar seis direcciones de flexión principales".

Los agentes informáticos que sustentan el funcionamiento del controlador del equipo explotan la amplitud y el tiempo de la configuración del actuador para reproducir dos tipos diferentes de movimientos de la planta, conocidos como circunnutación y fototropismo. Las circunnutaciones son oscilaciones comúnmente observadas en las plantas, mientras que el fototropismo son movimientos direccionales que acercan las ramas u hojas de una planta a la luz.

El controlador creado por Donato y sus colegas puede cambiar entre estos dos comportamientos, logrando el control secuencial de brazos robóticos que se extienden a lo largo de dos etapas. La primera de estas etapas es una fase de exploración, donde los brazos exploran su entorno, mientras que la segunda es una fase de alcance, donde se mueven para alcanzar un lugar u objeto deseado.

"Quizás la conclusión más importante de este trabajo en particular es que esta es la primera vez que se habilitan brazos robóticos blandos redundantes para alcanzar capacidades fuera del entorno de laboratorio, con un marco de control muy simple", dijo Donato. "Además, el controlador es aplicable a cualquier brazo robótico blando siempre que tenga una disposición de actuación similar. Este es un paso hacia el uso de estrategias integradas de detección y control distribuido en robots continuos y blandos".

Hasta ahora, los investigadores probaron su controlador en una serie de pruebas, utilizando un brazo robótico modular, ligero y suave, accionado por cable, con 9 grados de libertad (9-DoF). Sus resultados fueron muy prometedores, ya que el controlador permitió que el brazo explorara su entorno y alcanzara una ubicación objetivo de manera más efectiva que otras estrategias de control propuestas en el pasado.

En el futuro, el nuevo controlador podría aplicarse a otros brazos robóticos blandos y probarse tanto en entornos de laboratorio como del mundo real, para evaluar aún más su capacidad para lidiar con cambios ambientales dinámicos. Mientras tanto, Donato y sus colegas planean desarrollar aún más su estrategia de control, de modo que pueda producir movimientos y comportamientos adicionales del brazo robótico.

"Actualmente estamos buscando mejorar las capacidades del controlador para permitir comportamientos más complejos, como el seguimiento de objetivos, la torsión de todo el brazo, etc., para permitir que dichos sistemas funcionen en entornos naturales durante largos períodos de tiempo", agregó Donato.

Más información: Enrico Donato et al, Controlador basado en el comportamiento inspirado en plantas para permitir el alcance en brazos robóticos continuos redundantes, Conferencia internacional IEEE de 2023 sobre robótica blanda (RoboSoft) (2023). DOI: 10.1109/RoboSoft55895.2023.10122017.

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