Robótica de crecimiento suave

El cuerpo del robot consta de:

1. Una base donde se almacenan la fuente de alimentación, la placa de circuito impreso y la bobina de filamento termoplástico.
2. Cuerpo tubular de longitud variable creado mediante fabricación aditiva que se extiende hacia afuera desde la base.
3. La punta es donde se deposita material nuevo para alargar el cuerpo tubular y alojar los sensores.

El proceso de fabricación aditiva consiste en que un filamento de ácido poliláctico (un termoplástico) es arrastrado a través del cuerpo tubular del robot por un motor en la punta. En la punta, el filamento pasa por un elemento calefactor, lo que lo hace flexible. A continuación, el filamento se gira perpendicularmente a la dirección de crecimiento del robot y se deposita en el borde exterior de un disco giratorio orientado hacia la base del robot. A medida que el disco (conocido como cabezal de deposición ) gira, se deposita nuevo filamento en capas espirales. Este filamento se solidifica delante de la capa anterior, empujando la punta del robot hacia adelante. ^{[ 3 ]} La interacción entre la temperatura del elemento calefactor, la rotación del cabezal de deposición y la velocidad de alimentación del filamento a través del elemento calefactor se controla con precisión para asegurar que el robot crezca de la manera deseada. ^{[ 8 ]}

La velocidad del robot se controla cambiando la temperatura del elemento calefactor, la velocidad a la que se alimenta el filamento a través del elemento calefactor y la velocidad de giro del cabezal de deposición. La velocidad se puede definir como la función:

${\displaystyle S={\frac {L_{d}}{\sqrt {{\frac {1}{(\tan \alpha )^{2}}}+1}}}}$

Dónde${\displaystyle L_{d}}$es el espesor de la capa de filamento depositada, y${\displaystyle \alpha }$es el ángulo de la hélice en el que se deposita el material del filamento.

El control de la dirección del crecimiento (y, por lo tanto, la dirección del "movimiento" del robot) se puede realizar de dos maneras:

1. Modificar el grosor del filamento depositado en un lado del cabezal de deposición (inclinando la punta en dirección opuesta a ese lado).
2. Modificar el número de capas de filamento en un lado del cabezal de deposición mediante la rotación parcial del disco de deposición para añadir material adicional en ese sector (inclinando la punta en dirección opuesta al lado con capas adicionales de filamento). Por ejemplo, el disco podría girar normalmente en el sentido de las agujas del reloj, girar en sentido contrario a las agujas del reloj durante 1 radián y luego reanudar la rotación en el sentido de las agujas del reloj. Esto añadiría dos capas adicionales de material en la sección de 1 radián. ^{[ 3 ]}

Una de las principales ventajas de los robots de crecimiento blando es la mínima fricción que existe entre el entorno exterior y el robot. Esto se debe a que solo la punta del robot se mueve con respecto al entorno. ^{[ 3 ] [ 9 ]} Varios robots que utilizan fabricación aditiva para el crecimiento fueron diseñados para excavar en el suelo, ya que una menor fricción con el entorno reduce la energía necesaria para moverse a través de él. ^{[ 3 ] [ 8 ]}

• Sin estar sumergido, un robot pudo crecer a una velocidad de 1,8-4 mm/min. con una velocidad máxima de flexión de 1,28 grados por minuto y una fuerza de crecimiento de hasta 6 kg. ^{[ 3 ]}
• Sin estar sumergido, un segundo prototipo pudo crecer a una velocidad de 3-4 mm/min, así como girar pasivamente 40 grados con una tasa de éxito del 100 % y 50 grados con una tasa de éxito del 60 % (donde girar pasivamente significa que el robot creció en una pared inclinada y las propiedades del filamento termoplástico utilizado para doblar el robot en la dirección deseada). ^{[ 8 ]}

A diferencia de la fabricación aditiva, donde se deposita material nuevo detrás de la punta del robot para impulsarla hacia adelante, la extensión de la punta utiliza la presión interna del cuerpo del robot para expulsar material nuevo en su extremo. A menudo, los tubos dentro del cuerpo del robot se almacenan en un carrete para facilitar el control de su liberación y, por lo tanto, del crecimiento del robot. ^{[ 2 ] [ 4 ]}

Se han desarrollado varios métodos para girar un robot de extensión de punta. Estos incluyen:

1. Se comprime el tubo interior del cuerpo del robot y se asegura con pestillos. Para girar el robot, se abre un pestillo, liberando más material en un lado. La presión interna infla el material adicional, alargando un lado del robot y haciendo que gire en dirección opuesta al lado más largo. Para que el robot crezca recto, se puede liberar cualquiera de los pestillos o todos ellos. Los pestillos se controlan mediante su ubicación en un segundo conjunto de tubos inflables conectados al cuerpo principal del robot.
   • Si el tubo de un pestillo no está inflado, el pestillo nunca podrá abrirse porque la presión interna del cuerpo del robot lo fuerza a cerrarse.
   • Si el tubo de un pestillo está inflado y el pestillo se encuentra en una sección recta del cuerpo del robot, el pestillo no se abrirá debido a la inclinación de los ganchos entrelazados en ángulo del pestillo.
   • Si el tubo de un pestillo está inflado y el pestillo se encuentra en la punta del robot, la curva de la punta permite que los ganchos entrelazados se deslicen uno sobre otro y abran el pestillo. ^{[ 10 ]}
2. Se añade un segundo conjunto de tubos inflables a los lados del cuerpo del robot. Estos tubos se comprimen periódicamente a lo largo de su longitud, de modo que al inflarse, se contraen longitudinalmente. Para girar el robot, se infla un conjunto de tubos, lo que provoca que estos se contraigan a lo largo del cuerpo del robot y lo giren en la dirección de los tubos inflados. ^{[ 2 ]}

Los robots que utilizan el diseño de extensión de punta son retráctiles. Los diseños actuales utilizan un cable unido a la punta del robot que se usa para retraer la punta del robot dentro del cuerpo del robot. ^{[ 4 ] [ 10 ]}

La fuerza teórica bajo la cual crece la punta se puede modelar como:

${\displaystyle F_{driving}=PA}$

Dónde${\displaystyle F_{driving}}$representa la fuerza bajo la cual crece la punta,${\displaystyle P}$representa la presión interna y${\displaystyle A}$representa el área de la sección transversal de la punta del robot. Sin embargo, se ha descubierto que la fuerza experimental bajo la cual se expande la punta es menor que esta debido principalmente a la tensión axial en el cuerpo del robot. Un modelo que se aproxima${\displaystyle F_{driving}}$Más precisamente sería:

${\displaystyle F_{driving}=PAk-[YA+F_{v}]-[F_{l}+\Sigma _{i}F_{Ci}]}$

Aquí,${\displaystyle k}$es una constante determinada experimentalmente y${\displaystyle Y}$es la presión de fluencia cuando no hay crecimiento.${\displaystyle F_{v}}$,${\displaystyle F_{l}}$, y${\displaystyle F_{Ci}}$, son términos de fuerza que dependen de la velocidad, la longitud y la curvatura del robot respectivamente. ^{[ 9 ] [ 11 ]}

Además, se han desarrollado múltiples modelos matemáticos para diversas formas de giro, torsión y retracción. ^{[ 2 ] [ 1 ] [ 4 ]}