Ingenieros del MIT crean robots cúbicos capaces de cambiar de forma en el espacio
Si se enfrenta a la elección entre enviar al espacio un enjambre de robots individuales de tamaño completo o un gran equipo de módulos robóticos más pequeños, puede optar por lo último.
Los robots modulares, como los que aparecen en películas como «Ciudad de héroes», encierran especiales esperanzas gracias a su capacidad de autoensamblaje y reconfiguración. Pero, pese a la ambiciosa aspiración de un despliegue rápido y fiable en ámbitos que abarcan la exploración espacial, la búsqueda y el rescate y el cambio de forma, los robots modulares creados hasta hoy siguen siendo algo torpes.
Por lo general, se construyen a partir de un conjunto de motores grandes y caros para facilitar el movimiento, lo que exige una atención muy necesaria hacia arquitecturas más escalables, tanto en número como en tamaño.
Los científicos del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT CSAIL) recurrieron al electromagnetismo, es decir, a los campos electromagnéticos generados por el movimiento de una corriente eléctrica, para evitar el habitual ensamblaje de voluminosos y caros actuadores en unidades independientes.
En su lugar, incorporaron en los bordes de los cubos pequeños electroimanes, fáciles de fabricar y baratos, que se repelen y atraen, lo que permite a los robots girar y desplazarse unos alrededor de otros, además de cambiar de forma rápidamente.
ElectroVoxel tiene una longitud de lado de unos 60 mm, y los imanes están formados por un núcleo de ferrita (un tipo de circuito magnético que parece un pequeño tubito negro) envuelto en alambre de cobre, con un coste total de solo 0,60 $. Dentro de cada cubo hay diminutas placas de circuito impreso y electrónica que hacen pasar la corriente por el electroimán correcto en la dirección correcta.
A diferencia de las bisagras tradicionales, que requieren la unión mecánica de dos elementos, ElectroVoxel es completamente inalámbrico, lo que simplifica notablemente el mantenimiento y la fabricación de un sistema a gran escala.
Para visualizar mejor cómo se comportará un grupo de bloques durante la interacción, los científicos utilizaron un planificador de software que muestra las reconfiguraciones y calcula las distribuciones electromagnéticas subyacentes. El usuario puede manipular hasta mil cubos con solo unos clics del ratón o usar escenarios predefinidos que codifican varias rotaciones consecutivas.
El sistema permite realmente al usuario controlar el destino de los bloques dentro de límites razonables: puede cambiar la velocidad, resaltar los imanes y mostrar los movimientos necesarios para evitar colisiones. Puede indicar a los bloques que adopten distintas formas (por ejemplo, de silla o de sofá).
Los pequeños bloques baratos son especialmente favorables para las condiciones de microgravedad, donde cualquier estructura que se quiera lanzar a órbita debe caber dentro del cohete utilizado para su lanzamiento. Tras las pruebas iniciales de ElectroVoxel, los científicos observaron una auténtica ingravidez en un ensayo de vuelo parabólico, con el incentivo general de mejorar las herramientas de exploración espacial, como la reconfiguración sin combustible o el cambio de las propiedades inerciales de una nave espacial.
Por ejemplo, al utilizar un accionamiento sin combustible no es necesario transportar combustible adicional para la reconfiguración, lo que resuelve muchos problemas relacionados con la masa y el volumen del lanzamiento.
Así, existe la esperanza de que este método de reconfiguración pueda ayudar a numerosas iniciativas espaciales futuras: ampliar y sustituir estructuras espaciales en varios lanzamientos, construir estructuras temporales para inspeccionar naves espaciales y asistir a los astronautas, así como futuras versiones de los cubos que actúen como clasificadores autónomos de contenedores de almacenamiento.
«ElectroVoxel muestra cómo diseñar un sistema totalmente reconfigurable y presenta a nuestra comunidad científica los desafíos que deben resolverse para contar con un sistema robótico modular plenamente funcional en órbita. Este estudio demuestra lo sencillo que resulta construir, operar y mantener cubos giratorios con accionamiento electromagnético, lo que permite crear un sistema flexible, modular y reconfigurable que puede inspirar el desarrollo de componentes inteligentes para futuras misiones de investigación»
Para que los bloques se muevan, deben seguir una secuencia determinada, como pequeñas piezas uniformes de tetris. En este caso, la secuencia de polarización consta de tres pasos: lanzamiento, desplazamiento y captura, y en cada fase hay un cubo viajero (que se desplaza), un origen (desde donde se lanza el cubo viajero) y un destino (que captura el cubo viajero).
Los usuarios del software pueden indicar qué cubo girar y en qué dirección, y el algoritmo calculará automáticamente la secuencia y las direcciones de los destinos electromagnéticos necesarios para ello (repulsión, atracción o desactivación).
En cuanto al trabajo futuro, pasar del espacio a la Tierra es el siguiente paso natural para ElectroVoxel, lo que requerirá una simulación más detallada y la optimización de estos electroimanes para la reconfiguración frente a la gravedad de nuestro planeta.
«Al construir una gran estructura compleja, no se quiere estar limitado por la disponibilidad y la experiencia de las personas que la montan, por el tamaño de su vehículo de transporte o por las condiciones ambientales adversas en el lugar de montaje. Aunque estos axiomas son válidos en la Tierra, son muy importantes para construir cosas en el espacio. Si se tuvieran estructuras que se ensamblan a partir de módulos sencillos y uniformes, se podrían eliminar muchos de estos problemas. Así, aunque las ventajas potenciales en el espacio son especialmente grandes, la paradoja es que la dinámica favorable que proporciona la microgravedad hace que algunos de estos problemas sean en realidad más fáciles de resolver: en el espacio, incluso fuerzas diminutas pueden poner en movimiento objetos grandes. Al aplicar esta tecnología para resolver problemas reales a corto plazo en el espacio, esperamos crear una tecnología para uso futuro también en la Tierra»
Nisser escribió el artículo junto con Leon Cheng y Yashaswini Makaram, del MIT CSAIL, Rio Suzuki, profesor adjunto de Ciencias de la Computación de la Universidad de Calgary, y la profesora Stefanie Mueller, del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Presentarán su trabajo en la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización de 2022. El trabajo contó con el apoyo parcial de la Iniciativa de Investigación Espacial del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
