Innovación robótica con estructuras que cambian de forma


Investigadores de la Academia de Ciencias de China han desarrollado un dispositivo biestable ultra sintonizable adaptable a diversas aplicaciones robóticas.

Investigadores en China han desarrollado una estructura biestable ultra sintonizable con barreras de energía programables y fuerzas de activación. Las estructuras se pueden personalizar en varias configuraciones geométricas, dimensiones, materiales y métodos de actuación para su uso en aplicaciones robóticas. Al transformar la estructura del estado metaestable a cualquier estado intermedio, la barrera de energía se reduce, lo que permite que estímulos externos menores desencadenen una ruptura rápida. El equipo demostró la capacidad de ajuste de la estructura con varios prototipos, incluido un atrapamoscas robótico, pinzas, un saltador, un flotador, un interruptor térmico y un sistema de clasificación. Este trabajo podría conducir a avances en robótica, ingeniería biomédica, arquitectura y arte cinético. (Arte fractal abstracto que representa estructuras que cambian de forma).

Las estructuras biestables naturales amplifican la potencia y responden rápidamente a pequeñas entradas. Explotar su biestabilidad e inestabilidad inherentes puede mejorar el rendimiento del robot. Sin embargo, los estudios sobre estructuras biestables consideran principalmente estados estables y descuidan los estados intermedios con barreras de energía sintonizables.

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. LI Yingtian del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SIAT) de la Academia de Ciencias de China ha desarrollado una estructura biestable ultra sintonizable que presenta barreras de energía programables y fuerzas de disparo con diferencias de varios órdenes de magnitud. Las estructuras son adaptables para diversas aplicaciones robóticas con diferentes configuraciones, materiales y métodos de actuación.

La estructura biestable evolucionó plegando una lámina de material con un patrón de plegado específico. Tiene estados estables, metaestables y muchos intermedios. Durante la transición de un estado metaestable a uno estable, se ha alcanzado un punto crítico en el que la energía de deformación almacenada es máxima, lo que conduce a una rápida descomposición. El trabajo reporta barreras de energía programables para muchos estados intermedios antes de que la estructura biestable alcance su punto crítico. La transformación de estados metaestables a intermedios reduce la barrera energética y requiere estímulos externos más pequeños para desencadenar un avance. La reducción de la barrera de energía da como resultado una estimulación más fina, lo que da como resultado una amplia gama de fuerzas de activación ajustables para la estructura biestable orientable.

Los investigadores demostraron la capacidad de ajuste mediante la realización de experimentos en los que la fuerza de activación se fijó en el 0,1 % del máximo y lograron un aumento de 107 veces en el peso levantado con pinzas fabricadas a partir de estructuras propuestas con diferentes parámetros. La estructura se puede configurar en un estado ultrasensible que responde a una estimulación suave o insensible donde una bola de acero de 110 g no puede romper su barrera de energía. Se desarrollaron varios prototipos para demostrar el potencial de la estructura en diversas aplicaciones, como atrapamoscas robótico, pinza, puente, flotador, interruptor térmico y sistema de clasificación. Los prototipos demuestran la sensibilidad del atrapamoscas, la capacidad de alta velocidad del receptor y la impresionante altura del saltador.

La amplia gama de aplicaciones para la estructura propuesta demuestra su desempeño superior. Los investigadores creen que este trabajo podría ampliar las fronteras del diseño de estructuras biestables e inspirar diseños futuros en campos como la robótica, la ingeniería biomédica, la arquitectura y el arte cinético.

Referencia: "Estructuras biestables ultrasintonizables para aplicaciones robóticas generales" por Yongkang Jiang, Yingtian Li, Ke Liu, Hongying Zhang, Xin Tong, Diansheng Chen, Lei Wang y Jamie Paik, 18 de abril de 2023, Informes celulares Ciencias físicas. DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101365

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