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Articulo de referencia

Robótica

Máquina Universal Programable para Ensamblaje , uno de los primeros robots industriales (1990). La robótica es el estudio y la práctica interdisciplinarios del diseño, la constr...

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Máquina Universal Programable para Ensamblaje , uno de los primeros robots industriales (1990).

La robótica es el estudio y la práctica interdisciplinarios del diseño, la construcción , el funcionamiento y el uso de robots . [ 1 ] Un robotista es alguien que se especializa en robótica. [ 2 ] La robótica generalmente combina cuatro aspectos del trabajo de diseño: una fuente de energía (por ejemplo, una batería ), la construcción mecánica , un sistema de control ( circuitos eléctricos ) y el software (ejecutado por control remoto o inteligencia artificial ). 

El objetivo de la mayoría de los proyectos de robótica es diseñar máquinas que puedan ayudar a los humanos en diversos campos, como la agricultura , la construcción , el trabajo doméstico , el procesamiento de alimentos, la gestión de inventarios , la fabricación , la medicina , el ámbito militar , la minería , la exploración espacial y el transporte .

Los robots impactan a los humanos al desplazar a los trabajadores . Algunos prevén que esto ocurra a un ritmo creciente, lo que ha llevado a proponer soluciones como la renta básica . La robótica es en sí misma un negocio lucrativo que crea carreras, especialmente para posgraduados . Los expertos en robótica suelen buscar crear máquinas que parezcan interactuar de forma natural con los humanos. El campo se encuentra en constante investigación y desarrollo , con áreas de interés que incluyen la cinemática robótica y la robótica cuántica .

Diseño

La robótica suele combinar cuatro aspectos del trabajo de diseño para crear un robot :

  • Fuente de energía : Las posibles fuentes de energía incluyen electricidad por cable, una batería y/o gasolina .
  • Construcción mecánica : Una forma física o una combinación de formas se diseña para realizar tareas de manera funcional dentro de un rango determinado de entornos. Esto puede incluir elementos de locomoción como ruedas y orugas , así como extremidades y manipuladores hidráulicos (por ejemplo, manos).
  • Sistema de control : Los circuitos eléctricos (que utilizan componentes como diodos y transistores ) se emplean para ejecutar el software, controlar el movimiento del motor y leer los sensores .
  • Software : Un programa es el mecanismo mediante el cual un robot decide cuándo y cómo realizar una acción. Los programas robóticos pueden ejecutarse mediante control remoto , inteligencia artificial (IA) o una combinación de ambas. La programación de IA es fundamental para la navegación robótica y la interacción humano-robot .

Fuente de alimentación

El módulo de aterrizaje InSight con paneles solares

Existen muchos tipos de baterías que pueden utilizarse como fuente de energía. La mayoría son de plomo-ácido , seguras y con una vida útil relativamente larga, pero bastante pesadas en comparación con las de plata-cadmio , que son mucho más pequeñas y caras. Al diseñar un robot alimentado por batería, es necesario tener en cuenta factores como la seguridad, la vida útil y el peso.

También se pueden utilizar generadores, a menudo algún tipo de motor de combustión interna , pero suelen ser mecánicamente complejos e ineficientes. Además, un cable podría conectar el robot a una fuente de alimentación, ahorrando peso y espacio, pero requiriendo un cable engorroso. [ 3 ] Las posibles fuentes de alimentación incluyen:

Construcción mecánica

Una pierna robótica impulsada por músculos neumáticos.

Los actuadores son los " músculos " de un robot, las partes que convierten la energía almacenada en movimiento. [ 4 ] Los actuadores más populares son los motores eléctricos que hacen girar una rueda o engranaje y los actuadores lineales que controlan los robots de fábrica . La mayoría de los robots utilizan motores eléctricos —a menudo motores de CC con y sin escobillas en robots portátiles o motores de CA en robots industriales y máquinas de control numérico computarizado— especialmente en sistemas con cargas más ligeras y donde la forma predominante de movimiento es rotacional. Mientras tanto, los actuadores lineales se mueven hacia adentro y hacia afuera y a menudo tienen cambios de dirección más rápidos, particularmente cuando se necesitan grandes fuerzas, como en la robótica industrial. Por lo general, se alimentan con aceite o aire comprimido , pero también pueden alimentarse con electricidad, generalmente a través de un motor y un husillo . El sistema mecánico de cremallera y piñón es común.

Las alternativas recientes a los motores de CC son los motores piezoeléctricos , incluidos los motores ultrasónicos , en los que diminutos elementos piezocerámicos vibran miles de veces por segundo, generando movimiento lineal o rotatorio. Un tipo utiliza la vibración de los elementos piezoeléctricos para hacer girar el motor en círculo o en línea recta; [ 5 ] otro tipo utiliza los elementos piezoeléctricos para hacer vibrar una tuerca o accionar un tornillo. Las ventajas de estos motores son su resolución nanométrica , su velocidad y su fuerza en relación con su tamaño. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

La actuación elástica en serie (SEA) se basa en la introducción de elasticidad intencional entre el actuador del motor y la carga para un control de fuerza robusto. Debido a la menor inercia reflejada resultante, la actuación elástica en serie mejora la seguridad durante las interacciones o colisiones del robot. [ 9 ] Además, proporciona eficiencia energética y absorción de impactos (filtrado mecánico) al tiempo que reduce el desgaste excesivo en la transmisión y otros componentes. Este enfoque se ha empleado con éxito en varios robots, en particular en robots de fabricación avanzados [ 10 ] y robots humanoides caminantes. [ 11 ] [ 12 ] El diseño del controlador de un actuador elástico en serie se realiza con mayor frecuencia dentro del marco de pasividad , ya que garantiza la seguridad de la interacción con entornos no estructurados. [ 13 ] Sin embargo, este marco sufre de limitaciones estrictas impuestas al controlador, que pueden afectar el rendimiento. [ 14 ]

Los músculos artificiales neumáticos , también conocidos como músculos de aire, son tubos especiales que se expanden (típicamente hasta un 42%) cuando se les introduce aire; se utilizan en algunas aplicaciones robóticas. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] El alambre muscular, también conocido como aleación con memoria de forma , es un material que se contrae (menos del 5%) cuando se le aplica electricidad; se han utilizado para algunos robots pequeños. [ 18 ] [ 19 ] Los polímeros electroactivos son un material plástico que puede contraerse sustancialmente (hasta un 380% de deformación de activación) por electricidad y se han utilizado en los músculos faciales y brazos de robots humanoides, [ 20 ] así como para permitir que nuevos robots floten, [ 21 ] vuelen, naden o caminen. [ 22 ] Además, los nanotubos de carbono elásticos son una prometedora tecnología experimental de músculos artificiales. La ausencia de defectos en los nanotubos de carbono permite que estos filamentos se deformen elásticamente en varios por ciento, con niveles de almacenamiento de energía de quizás 10 J /cm 3 para nanotubos metálicos. Los bíceps humanos podrían reemplazarse con alambre de este material de 8 milímetros ( 3/8 de pulgada ) de diámetro, lo que permitiría que los robots del futuro superaran a los humanos. [ 23 ]  

Locomoción

Los robots con solo una o dos ruedas pueden tener ventajas como mayor eficiencia, menor cantidad de piezas y navegación a través de áreas confinadas. Un robot de una rueda se equilibra sobre una bola redonda; el Ballbot de la Universidad Carnegie Mellon tiene aproximadamente la altura y el ancho de una persona. [ 24 ] [ 25 ] También se han hecho varios intentos para construir robots esféricos (también conocidos como orb bots [ 26 ] o ball bots), [ 27 ] que se mueven haciendo girar un peso dentro de la bola [ 28 ] [ 29 ] o rotando las carcasas exteriores. [ 30 ] [ 31 ] Los robots de equilibrio de dos ruedas generalmente usan un giroscopio para detectar cuánto está cayendo un robot y hacen girar las ruedas proporcionalmente hasta cientos de veces por segundo para contrarrestar la caída, basándose en la dinámica del péndulo invertido . [ 32 ] [ 33 ] El Robonaut de la NASA se ha montado en un Segway para un efecto similar. [ 34 ] La mayoría de los robots móviles tienen cuatro ruedas o orugas continuas. Seis ruedas pueden proporcionar mejor tracción en terrenos exteriores, mientras que las orugas ofrecen aún más agarre. Las ruedas con orugas son comunes en robots todoterreno para exteriores, pero son difíciles de usar en interiores. [ 35 ] Se han desarrollado algunos robots patinadores , uno de los cuales es un dispositivo multimodal para caminar y patinar con cuatro patas y ruedas sin motor. [ 36 ] [ 37 ] 

Mantis, el robot araña, en 2012.

Se han fabricado varios robots que pueden caminar sobre dos piernas, pero aún no con la misma fiabilidad que un humano. [ 38 ] Se han construido muchos otros robots que caminan sobre más de dos piernas, lo que resulta significativamente más fácil. [ 39 ] [ 40 ] Los robots caminantes podrían utilizarse en terrenos irregulares, proporcionando un alto grado de movilidad y eficiencia, pero los robots bípedos actualmente solo pueden desplazarse por suelos planos o, quizás, escaleras. Algunos enfoques han incluido:

  • El punto de momento cero (ZMP) es el algoritmo utilizado por robots como ASIMO de Honda . La computadora a bordo del robot intenta mantener las fuerzas inerciales totales (la combinación de la gravedad terrestre y la aceleración y desaceleración de la marcha) exactamente opuestas a la fuerza de reacción del suelo (la fuerza del suelo empujando el pie del robot). De esta manera, las dos fuerzas se cancelan, dejando un momento nulo (fuerza que hace que el robot gire y se caiga). [ 41 ] Los observadores humanos señalan que esta no es exactamente la forma en que camina un humano, y algunos describen la marcha de ASIMO como si necesitara ir al baño. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] El algoritmo de marcha de ASIMO utiliza cierto equilibrio dinámico, pero requiere una superficie plana.
  • Varios robots, construidos en la década de 1980 por Marc Raibert en el Laboratorio de Piernas del MIT , demostraron con éxito una marcha muy dinámica. Inicialmente, un robot con una sola pierna y un pie muy pequeño podía mantenerse erguido simplemente saltando . El movimiento es el mismo que el de una persona en un pogo . Cuando el robot se inclinaba hacia un lado, saltaba ligeramente en esa dirección para recuperar el equilibrio. [ 45 ] Pronto, el algoritmo se generalizó a dos y cuatro piernas. Se demostró que un robot bípedo corría e incluso realizaba volteretas . [ 46 ] También se demostró que un cuadrúpedo podía trotar , correr, caminar a paso ligero y saltar. [ 47 ] [ 48 ]
  • Un enfoque más avanzado es un algoritmo de equilibrio dinámico, que monitorea constantemente el movimiento del robot y coloca los pies para mantener la estabilidad. [ 49 ] Esta técnica ha sido demostrada por el robot Dexter de Anybots [ 50 ] (que es tan estable que puede realizar saltos) [ 51 ] y Flame de la Universidad de Delft .
  • Quizás el enfoque más prometedor utiliza dinámica pasiva , en la que el impulso de las extremidades oscilantes se utiliza para impulsar la marcha, lo que podría aumentar la eficiencia hasta diez veces la de ZMP. [ 52 ] [ 53 ]
Visualización de un entomóptero volando en Marte ( NASA )

Un avión de pasajeros moderno es esencialmente un robot volador , con dos humanos para manejarlo. El piloto automático puede controlar el avión durante el despegue, el vuelo normal y el aterrizaje. [ 54 ] Los vehículos aéreos no tripulados (VANT) pueden ser más pequeños y ligeros y volar a territorio peligroso para uso militar, pudiendo incluso activarse para disparar automáticamente. Otros robots voladores incluyen misiles de crucero , el entomóptero y el microhelicóptero robot Epson . Además, algunos robots más ligeros que el aire son propulsados ​​por paletas y guiados por sonar.

Los robots voladores biomiméticos (BFR) se inspiran en mamíferos, aves o insectos voladores. Pueden tener alas batientes, que generan sustentación y empuje, o pueden ser accionados por hélices. Los diseños de alas batientes ofrecen mayor maniobrabilidad y menor consumo de energía en comparación con la actuación por hélice. [ 55 ] Los BFR inspirados en mamíferos y aves comparten características de vuelo y consideraciones de diseño similares. Por ejemplo, minimizan el aleteo del borde y la curvatura de la punta del ala inducida por la presión al aumentar la rigidez del borde del ala.

Capuchino, un robot trepador

Se han utilizado varios enfoques diferentes para desarrollar robots con la capacidad de trepar superficies verticales. Un enfoque imita los movimientos de un escalador humano en una pared con salientes; ajustando el centro de masa y moviendo cada extremidad por turno para obtener palanca. [ 65 ] Otro enfoque utiliza el método especializado de las almohadillas de los dedos de los geckos trepadores de paredes , que pueden correr sobre superficies lisas como el vidrio vertical, [ 66 ] [ 67 ] un ejemplo llamado Speedy Freelander . Un tercer enfoque es imitar el movimiento de una serpiente trepando por un poste. [ 68 ] Por separado, los robots serpiente pueden usarse para la navegación horizontal, posiblemente pudiendo buscar a través de espacios confinados [ 69 ] y navegar de forma anfibia. [ 70 ] [ 71 ]

Se calcula que al nadar , algunos peces pueden alcanzar una eficiencia propulsora superior al 90%. [ 72 ] Además, pueden acelerar y maniobrar mucho mejor que cualquier barco o submarino artificial y causar menos perturbaciones, siendo una capacidad deseable para los robots acuáticos, [ 73 ] [ 74 ] uno de los cuales modela la locomoción de los peces . [ 75 ] Un ejemplo copia la forma aerodinámica y la propulsión de las aletas delanteras de los pingüinos . [ 76 ] Otros emulan la locomoción de la manta raya y la medusa . En 2013, un pez robótico superó a algunos peces reales en velocidad máxima promedio y resistencia. [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]

Se han desarrollado robots veleros, como Vaimos , para realizar mediciones en la superficie del océano. [ 80 ] Dado que los robots veleros se propulsan con el viento, las baterías solo alimentan la computadora, la comunicación y los actuadores (para ajustar el timón y la vela). Dos importantes competiciones de robots veleros se llevan a cabo en el Microtransat Challenge y el Campeonato Mundial de Vela Robótica .

Manipuladores

Baxter , un robot con brazos versátiles
Una mano robótica

Matthew T. Mason describió la manipulación robótica como el "control del entorno del robot mediante contacto selectivo". [ 81 ] Los robots necesitan manipular objetos: recogerlos, modificarlos, destruirlos, moverlos o tener algún efecto. Por lo tanto, un brazo robótico se denomina manipulador [ 82 ] y su extremo funcional (por ejemplo, una herramienta o una mano) se conoce como efector final . [ 83 ] La mayoría de los brazos robóticos tienen efectores finales reemplazables, cada uno de los cuales les permite realizar un pequeño rango de tareas. Algunos tienen un manipulador fijo que no se puede reemplazar, incluidos manipuladores altamente versátiles como una mano humanoide. [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] Algunos de estos poseen una poderosa inteligencia de destreza, hasta 20 grados de libertad y cientos de sensores táctiles. [ 87 ]

Uno de los tipos más comunes de efectores finales son las pinzas. En su manifestación más simple, consiste en solo dos dedos que pueden abrirse y cerrarse para recoger y soltar objetos pequeños. Los dedos pueden estar hechos de una cadena con un alambre metálico que la atraviesa. [ 88 ] Las manos que se asemejan y funcionan más como una mano humana incluyen la Mano Sombra y la mano Robonaut . [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] Las pinzas mecánicas pueden ser de varios tipos, incluyendo mandíbulas de fricción y mandíbulas envolventes. Las mandíbulas de fricción usan toda la fuerza de la pinza para sujetar el objeto en su lugar mediante fricción. Las mandíbulas envolventes acunan el objeto en su lugar, usando menos fricción.

Los efectores finales de succión, alimentados por generadores de vacío, son dispositivos de sujeción muy simples [ 92 ] que pueden soportar cargas muy grandes siempre que la superficie de agarre sea lo suficientemente lisa para garantizar la succión. Los robots de recogida y colocación de componentes electrónicos y objetos grandes como parabrisas de automóviles suelen utilizar efectores finales de vacío muy simples. La succión es un tipo de efector final muy utilizado en la industria, en parte porque la flexibilidad natural de los efectores finales de succión blandos reduce la probabilidad de dañar los objetos.

Sistema de control

Un circuito eléctrico

La estructura mecánica de un robot debe controlarse para realizar tareas. [ 93 ] El control de un robot implica tres fases distintas: percepción , procesamiento y acción ( paradigmas robóticos ). [ 94 ] Los sensores proporcionan información sobre el entorno o el propio robot (por ejemplo, la posición de sus articulaciones o su efector final). [ 95 ] Esta información se procesa para almacenarla o transmitirla y para calcular las señales adecuadas a los actuadores (motores), que mueven la estructura mecánica para lograr el movimiento coordinado o las acciones de fuerza requeridas.

La fase de procesamiento puede variar en complejidad. A nivel reactivo, puede traducir la información bruta del sensor directamente en comandos para los actuadores (por ejemplo, activar las compuertas electrónicas de potencia del motor basándose directamente en las señales de retroalimentación del codificador para lograr el par/velocidad requerido del eje). La fusión de sensores y los modelos internos pueden utilizarse primero para estimar parámetros de interés (por ejemplo, la posición de la pinza del robot) a partir de datos ruidosos de los sensores. A veces, se infiere una tarea inmediata (como mover la pinza en una dirección determinada hasta que se detecte un objeto con un sensor de proximidad) a partir de estas estimaciones. Generalmente, se utilizan técnicas de la teoría de control para convertir las tareas de nivel superior en comandos individuales que impulsan los actuadores, utilizando con mayor frecuencia modelos cinemáticos y dinámicos de la estructura mecánica. [ 93 ] [ 94 ] [ 96 ]

En escalas de tiempo más largas o con tareas más sofisticadas, el robot puede necesitar construir y razonar con un modelo cognitivo , que intenta representar al robot, al mundo y cómo interactúan ambos. El reconocimiento de patrones y la visión artificial pueden utilizarse para rastrear objetos. [ 93 ] El mapeo , la planificación de movimiento y otras técnicas de IA pueden utilizarse para determinar cómo actuar y evitar obstáculos.

Los sistemas de control robótico integran múltiples sensores y efectores, tienen muchos grados de libertad que interactúan y requieren interfaces de operador, herramientas de programación y capacidades en tiempo real . [ 94 ] A menudo están conectados a redes de comunicación más amplias, incluido el Internet de las cosas , una red que correlaciona objetos físicos. [ 97 ] El progreso hacia robots interconectados basados ​​en sensores de arquitectura abierta , en capas, fáciles de usar e "inteligentes" ha surgido de conceptos anteriores relacionados con sistemas de fabricación flexible . Además, varias arquitecturas de referencia "abiertas" o "híbridas" proporcionan ventajas sobre los sistemas de control de robots "cerrados" anteriores. [ 96 ] Se dice que los controladores de arquitectura abierta son más capaces de satisfacer los crecientes requisitos de una amplia gama de usuarios de robots, incluidos desarrolladores de sistemas, usuarios finales y científicos de investigación, y están mejor posicionados para contribuir con conceptos industriales avanzados . [ 96 ] Además de utilizar muchas características establecidas de los controladores de robots, como el control de posición, velocidad y fuerza de los efectores finales, también permiten la interconexión y la implementación de técnicas de fusión de sensores y control más avanzadas, incluyendo el control adaptativo, el control difuso y el control basado en redes neuronales artificiales . [ 96 ] Cuando se implementan en tiempo real, estas técnicas pueden potencialmente permitir sistemas de control más adaptativos cuando se trabaja en entornos desconocidos. [ 98 ] La arquitectura de referencia genérica y la implementación asociada de robot y controlador de arquitectura abierta e interconectada se han utilizado en varios estudios. [ 98 ] [ 99 ]

Detección

Un sensor de color en un robot

Los sensores permiten a los robots recibir información sobre el entorno o los componentes internos. Esto es fundamental para que los robots realicen sus tareas y respondan a los cambios de forma adecuada. Los sensores se utilizan para realizar diversas mediciones, proporcionar información en tiempo real y alertar a los robots; pueden incluir cámaras y micrófonos, así como sensores que monitorizan las señales de red, el nivel de potencia, la presión y la temperatura.

Las manos robóticas y protésicas actuales reciben mucha menos información táctil que la mano humana. Investigaciones recientes han desarrollado una matriz de sensores táctiles que imita las propiedades mecánicas y los receptores táctiles de las yemas de los dedos humanos. [ 100 ] [ 101 ] La matriz de sensores está construida como un núcleo rígido rodeado de un fluido conductor contenido por una piel elastomérica. Los electrodos están montados en la superficie del núcleo rígido y conectados a un dispositivo de medición de impedancia dentro del núcleo. Cuando la piel artificial toca un objeto, el recorrido del fluido alrededor de los electrodos se deforma, produciendo cambios de impedancia que mapean las fuerzas recibidas del objeto. Una función importante de las yemas de los dedos artificiales probablemente será ajustar el agarre de los objetos sostenidos. Científicos de varios países europeos e Israel desarrollaron una mano protésica en 2009 que funciona como una real, permitiendo a los pacientes escribir, teclear en un teclado y realizar otros movimientos finos. La prótesis tiene sensores que permiten al paciente percibir a través de las yemas de sus dedos. [ 102 ]

Otras formas comunes de detección en robótica utilizan lidar , radar y sonar . [ 68 ] El lidar mide la distancia a un objetivo iluminándolo con luz láser y midiendo la luz reflejada con un sensor. El radar utiliza ondas de radio para determinar el alcance, el ángulo o la velocidad de los objetos. El sonar utiliza la propagación del sonido para navegar, comunicarse con objetos en la superficie o debajo del agua, o detectarlos. De forma más abstracta, las formas robóticas inspiradas en el origami están diseñadas para detectar y analizar en entornos extremos. [ 103 ]

Las cámaras pueden capturar luz visible y otras formas de radiación electromagnética, como la infrarroja . Se pueden utilizar múltiples sensores y lentes específicos para lograr un campo de visión y una percepción de profundidad determinados . La visión artificial ha utilizado cada vez más el aprendizaje automático . [ 104 ] Se puede utilizar el escaneo de códigos de barras , pero no necesariamente es universalmente efectivo. [ 105 ]

Software

TOPIO , un robot jugador de ping pong
El GPS , el radar y el lidar se combinan en un vehículo desarrollado para el DARPA Urban Challenge de 2007 .

Un programa es la forma en que un robot decide cuándo o cómo hacer algo. Los movimientos específicos se pueden diseñar mediante software de animación por computadora como Autodesk Maya . [ 106 ] Los programas se pueden ejecutar mediante control remoto , IA o una combinación de ambos.

Un robot con programación de control remoto, posiblemente operado mediante dispositivos hápticos o teleoperados , tiene un conjunto preexistente de comandos que ejecutará cuando reciba una señal de una fuente de control; esencialmente, una forma de automatización sobre la que los humanos tienen un amplio control.

Mientras tanto, los robots autónomos con soporte de IA operan sin una fuente de control y utilizan su programación para determinar respuestas a diversos estímulos. [ 107 ] Las máquinas altamente predecibles, como los robots industriales, generalmente no requieren cognición compleja.

Los robots híbridos pueden ser asistidos por un operador que selecciona ciertos modos o da órdenes de acciones generales, y la IA determina los movimientos necesarios. [ 108 ]

Los robots que pueden operar de forma autónoma en un entorno dinámico requieren una combinación de hardware y software de mapeo y navegación para recorrer su entorno y evitar colisiones con otros objetos. Además de los humanoides como los robots ASIMO y Meinü , esto se aplica particularmente a los automóviles autónomos , que emplean de diversas maneras el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), radar, lidar, cámaras, un sistema de navegación inercial y/o enjambres de robots autónomos. [ 109 ]

Interacción humano-robot

Para un uso efectivo en entornos domésticos, la forma en que los robots reciben comandos debe ser intuitiva incluso para personas sin habilidades tecnológicas. Los autores de ciencia ficción y los futuristas a menudo imaginan a los humanos comunicándose con los robots a través del habla, gestos y expresiones faciales [ 110 ] en lugar de una interfaz de línea de comandos . [ 111 ] [ 112 ] Los estudios han demostrado que, para algunas personas, interactuar con un robot o imaginar hacerlo puede reducir los sentimientos negativos que puedan tener hacia los robots, [ 113 ] pero esto también puede reforzar fuertes prejuicios negativos. [ 113 ] Los investigadores están tratando de crear robots que demuestren personalidad, [ 114 ] [ 115 ] independientemente de si esto es deseable en máquinas comerciales. [ 116 ] Los sonidos, las expresiones faciales y el lenguaje corporal pueden usarse para transmitir emociones, por ejemplo, en el robot de juguete dinosaurio Pleo ( c. 2006 ). [ 117 ] Además, los robots pueden incorporar la conciencia del espacio personal a sus interacciones.

Existen otros obstáculos cuando se utiliza la voz para interactuar con humanos. Por razones sociales, la voz sintética resulta subóptima como medio de comunicación, [ 118 ] lo que hace necesario desarrollar el componente emocional de la voz robótica mediante diversas técnicas. [ 119 ] [ 120 ] Uno de los primeros ejemplos es un robot de enseñanza desarrollado en 1974 por Michael J. Freeman , [ 121 ] [ 122 ] quien convirtió la memoria digital en habla verbal rudimentaria mediante discos de computadora pregrabados. [ 123 ] El robot de Freeman fue programado para enseñar a estudiantes en el Bronx , Nueva York. [ 123 ]

Mientras tanto, reconocer el habla humana en tiempo real es una tarea difícil para una computadora, principalmente debido a la gran variabilidad del habla. [ 124 ] El sonido de una palabra puede variar mucho dependiendo del acento , la acústica , el volumen, la palabra anterior dicha y la salud del hablante. [ 125 ] Se han hecho avances en el campo desde que se diseñó el primer "sistema de entrada de voz" en 1952. [ 126 ] A finales del siglo XX, los mejores sistemas podían reconocer el habla continua y natural hasta 160 palabras por minuto con un 95 % de precisión. [ 127 ] Las máquinas asistidas por IA pueden usar la voz para identificar emociones . [ 128 ] Es probable que los robots sociales necesiten poder reconocer gestos (y tal vez realizarlos) para ayudar a la comunicación verbal. [ 129 ] [ 130 ] El procesamiento y la simulación de emociones por IA se conoce como computación afectiva .

Kismet puede producir una variedad de expresiones faciales.

Un robot debería poder interactuar con un humano de forma apropiada basándose en sus expresiones faciales y lenguaje corporal . Hanson Robotics ha construido rostros sintéticos expresivos utilizando una malla de piel de polímero elástico (caucho) animada por motores subsuperficiales ( servos ), que a su vez están integrados en un cráneo metálico. [ 131 ] Robots como Kismet pueden producir una gama de expresiones faciales, lo que permite participar en intercambios sociales significativos. [ 132 ] [ 133 ] El robot interactivo Robin utiliza de manera similar análisis basado en IA y muestra emociones para intentar superar manifestaciones de estrés y ansiedad. [ 134 ]

Aplicaciones

Las aplicaciones actuales y potenciales de los robots incluyen:

Preocupaciones laborales

Un técnico en robótica construye pequeños robots todoterreno (cortesía: MobileRobots, Inc.).

La incorporación de robots en las industrias ha aumentado la eficiencia y la productividad. Generalmente se considera una inversión a largo plazo para los benefactores y quizás incluso un componente esencial de la fabricación. Sin embargo, tiene el potencial de reemplazar la mayor parte del trabajo realizado por humanos , y un estudio de 2017 encontró que la automatización por sí sola pone en riesgo el 47% de los empleos en los EE. UU. [ 154 ] Por lo tanto, la robótica se usa a menudo como argumento a favor de una renta básica para reemplazar los salarios perdidos. El físico teórico Stephen Hawking observó en 2016: [ 155 ]

La automatización de las fábricas ya ha diezmado los puestos de trabajo en la industria manufacturera tradicional, y es probable que el auge de la inteligencia artificial extienda esta destrucción de empleos a las clases medias, quedando solo los puestos más relacionados con el cuidado, la creatividad o la supervisión.

En 2022, China tenía el mayor número de robots industriales en funcionamiento, con 1,5 millones de unidades, y esa cifra aumentaba en más del 20 % anualmente. [ 156 ]

Seguridad y salud

El robot colaborativo ( cobot ) industrial de Yamaha Motor

La expansión de la robótica presenta tanto oportunidades como desafíos para la seguridad y la salud en el trabajo (SST). [ 157 ] A pesar de la pérdida de salarios, la sustitución de personas que trabajan en entornos insalubres o peligrosos es un beneficio para la SST. Esto no solo incluye trabajos de alto riesgo en el espacio, la seguridad y la energía, sino también trabajos sucios o inseguros en logística, mantenimiento e inspección que requieren exposición a riesgos físicos y/o psicosociales, incluidos los derivados de tareas repetitivas o monótonas más adecuadas para las máquinas. Es probable que los robots reemplacen gradualmente dichos trabajos en otros sectores como la agricultura, la limpieza, la construcción, la extinción de incendios, la atención médica y el transporte. [ 158 ]

Por otro lado, los humanos son más aptos que las máquinas para trabajos ligeros que implican diversos niveles de creatividad, toma de decisiones y flexibilidad. Los humanos y los robots trabajan cada vez más en paralelo dentro de sus áreas de especialización. La necesidad de trabajar de forma segura en espacios reducidos ha dado lugar a los cobots (robots colaborativos). [ 159 ] [ 160 ] Algunos países europeos están incluyendo la robótica en sus programas nacionales, promoviendo una cooperación saludable entre robots y operadores para aumentar la productividad. [ 161 ]

Carreras profesionales

La robótica es un campo interdisciplinario que combina principalmente la ingeniería mecánica y la informática , pero que también se nutre de la ingeniería electrónica y otras disciplinas. Generalmente, se obtienen títulos de pregrado en una de estas disciplinas antes de cursar un posgrado en robótica. Los ingenieros robóticos diseñan y mantienen robots, desarrollan nuevas aplicaciones y realizan investigaciones. [ 162 ] En 2011, el número de empleos relacionados con la robótica aumentaba constantemente a medida que las fábricas utilizaban cada vez más robots. [ 163 ] Según un informe de GlobalData de septiembre de 2021 , la industria robótica alcanzó un valor de 45 mil millones de dólares  en 2020 y, para 2030, habrá crecido a una tasa de crecimiento anual compuesta del 29% hasta alcanzar los 568  mil millones de dólares, impulsando así el empleo en la robótica y las industrias relacionadas. [ 164 ]

Investigación

Gran parte de la investigación en robótica no se centra en tareas industriales específicas, sino en investigaciones sobre nuevos tipos de robots , formas alternativas de concebir o diseñar robots y nuevas maneras de fabricarlos. En 1997, el profesor Hans Moravec , científico investigador principal del Instituto de Robótica de Carnegie , predijo que la inteligencia robótica alcanzaría la capacidad de un lagarto para 2010, la de un ratón para 2020, la de un mono y, finalmente, la de un ser humano alrededor de 2045. [ 165 ]

El estudio del movimiento se puede dividir en cinemática y dinámica . [ 166 ] La cinemática directa o hacia adelante se refiere al control manual de las articulaciones para manipular los efectores finales, mientras que en la cinemática inversa , los estados del efector final están predeterminados y los valores de las articulaciones se automatizan. La cinemática abarca la eficiencia del cálculo, la evitación de colisiones y la prevención de bloqueos . Por otro lado, la dinámica se utiliza para estudiar el efecto de las fuerzas sobre movimientos cinemáticos dados. La dinámica directa se refiere al cálculo de aceleraciones una vez que se conocen las fuerzas aplicadas, utilizado en simulaciones por computadora . La dinámica inversa se refiere al cálculo de las fuerzas del actuador que resultan en ciertas aceleraciones del efector final.

La investigación en robótica de código abierto busca establecer estándares para definir y métodos de diseño y construcción de robots, de manera que cualquiera pueda reproducirlos fácilmente. La investigación abarca definiciones legales y técnicas; la búsqueda de herramientas y materiales alternativos para reducir costos y simplificar la construcción; y la creación de interfaces y estándares para la interoperabilidad de los diseños. La investigación sobre usabilidad humana también analiza la mejor manera de documentar la construcción mediante instrucciones visuales, textuales o en video.

La robótica evolutiva es una metodología que utiliza computación evolutiva para ayudar a diseñar robots, especialmente la forma del cuerpo o los controladores de movimiento y comportamiento . De manera similar a la evolución natural , se permite que una gran población de robots compita de alguna forma, o se mide su capacidad para realizar una tarea utilizando una función de aptitud . Aquellos con peor desempeño se eliminan de la población y se reemplazan por un nuevo conjunto con comportamientos basados ​​en los de los ganadores. Con el tiempo, la población mejora y eventualmente puede aparecer un robot satisfactorio sin intervención humana directa. Los investigadores utilizan este método tanto para crear mejores robots [ 167 ] como para explorar la naturaleza de la evolución. [ 168 ] Debido a que el proceso a menudo requiere el estudio de muchas generaciones de robots, [ 169 ] esta técnica puede ejecutarse total o mayormente en simulación antes de probar los algoritmos evolucionados en robots reales. [ 170 ]

La biónica y la biomimética aplican la fisiología y los métodos de locomoción de los animales al diseño de robots. Por ejemplo, el diseño de BionicKangaroo se basó en la forma en que saltan los canguros.

La robótica de enjambre es un método para coordinar múltiples robots como un sistema compuesto por un gran número de robots físicos, en su mayoría sencillos.

La robótica cuántica es el estudio de la ejecución de programas robóticos en computadoras cuánticas , que probablemente superarán el rendimiento de las computadoras digitales. [ 171 ]

Otras áreas generales de estudio incluyen cobots, [ 172 ] drones y nanorobots . Dos importantes conferencias académicas para la investigación en robótica son la Conferencia Internacional sobre Robótica y Automatización y la Conferencia Internacional sobre Robots y Sistemas Inteligentes .

Véase también

Notas

  1. ↑ Una base de datos, desarrollada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos , contiene información sobre casi 500 tecnologías robóticas existentes. [ 143 ]

Referencias

  1. ↑ «Biblioteca Nacional Alemana» . Sistema de clasificación internacional de la Biblioteca Nacional Alemana (GND) . Archivado del original el 19 de agosto de 2020.
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  • Revista de Robótica de Campo
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