De arañas muertas a colas de cigalas: los robots híbridos que se aprovechan de la naturaleza para ser baratos y funcionales

Los primeros prototipos de la robótica biomimética que copiaban rasgos muy simples de animales han evolucionado hasta abarcar desde robots blandos inspirados en los pulpos hasta drones similares a los pájaros para despegar y volar en cualquier lugar. Así, se ha pasado de imitar solo la forma a copiar principios más profundos de biomecánica.

Pero hay un paso más: hibridar elementos naturales y artificiales. En esa dirección, un equipo de ingenieros de la Escuela de Ingeniería de la EPFL (Suiza) ha desarrollado varios robots experimentales utilizando un material muy especial: los exoesqueletos del abdomen de cigalas. Cuando acabe la próxima cena de Navidad, habrá que pensárselo dos veces antes de tirar los restos a la basura.

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"Los exoesqueletos combinan caparazones mineralizados con membranas articulares, lo que proporciona un equilibrio entre rigidez y flexibilidad que permite que sus segmentos se muevan de forma independiente", afirma Josie Hughes, directora del Laboratorio de Diseño y Fabricación de Robots Computacionales (CREATE Lab) de la EPFL, en un comunicado de prensa.

"Estas características permiten a los crustáceos realizar movimientos rápidos y de gran torque en el agua, pero también pueden ser muy útiles para la robótica", explica Hughes. "Al reutilizar los residuos alimentarios, proponemos un proceso de diseño cíclico sostenible en el que los materiales pueden reciclarse y adaptarse a nuevas tareas".

Crustáceo robótico

Si no puedes imitarlo o copiarlo, aprovecha lo que te ofrece la naturaleza. Es lo que pensaron en 2022 unos investigadores de la Universidad de Rice (Houston, Texas), que usaron cadáveres de arañas como pequeñas pinzas robóticas capaces de abrirse y cerrarse.

¿El método para conseguirlo? Inyectar aire en el prosoma, su sistema hidráulico interno, lo que permitía contraer o extender sus patas para levantar objetos que superan su propio peso y manipular componentes como pequeñas placas de circuito o insectos.​

De hecho, los autores de aquella investigación le pusieron un nombre “necrobótica”, y lo describieron como la forma más barata y sostenible de crear actuadores a microescala.

Es el mismo principio que siguieron los investigadores de la EPFL a la hora de combinar elementos biológicos con componentes sintéticos para conseguir un híbrido robótico funcional a partir de los exoesqueletos de cigalas muertas.

Este enfoque, descrito en el artículo publicado en Advanced Science, tiene otra ventaja y es algo que no todos los especialistas en robótica tienen en cuenta: ¿qué ocurre cuando un robot como Optimus o Spot se desgastan? Al estar fabricados con estructuras metálicas, juntas de plástico y componentes electrónicos son estructuras muy complejas de desmontar y reciclar.

Por contra, Hughes y su equipo decidieron aprovechar las propiedades de las colas de las cigalas muertas y 'mezclarlas' con tendones y motores sintéticos.

Cuando los robots creados a partir de estas piezas llegan al final de su vida útil, los componentes pueden separarse fácilmente, con elementos biodegradables que se descomponen y elementos artificiales reutilizables.

Para lograr su objetivo, insertaron un elastómero y tendones dentro del exoesqueleto para controlar cada uno de sus seis segmentos abdominales y utilizaron una base motorizada para modular su extensión y flexión. Para prevenir la deshidratación y prolongar la vida útil de este apéndice necrobótico, los investigadores lo recubrieron con una capa de silicona.

Dedos flexibles y robots nadadores

Una vez montados los robots, tenían que ponerlos a prueba. Y el primer caso de uso que encontraron fue usar dos de ellos como unas 'pinzas' biorobóticas para coger objetos de diferentes tamaños y formas.

Así consiguieron manipular objetos de hasta 680 gramos, desde un bolígrafo hasta un tomate, demostrando que estos residuos de marisco pueden funcionar como un brazo robótico ligero pero potente. El exoesqueleto tiene una masa de solo 3 gramos, por lo que la relación carga-peso es altísima para un actuador de este tipo.

Los robots nadadores desarrollados con exoesqueletos de cigalas Create LAB / EPFL Omicrono

Las mismas cualidades sirvieron para usarlos como dedos blandos de agarre, capaces de doblarse usando los segmentos abdominales como bisagras naturales.

Según los resultados obtenidos, estos dedos logran alcanzar frecuencias de flexión de hasta 8 Hz, es decir, pueden realizar hasta ocho ciclos de doblado y extensión por segundo, manteniendo capacidad de agarre sobre objetos de distintas formas.​

Por último, el tercer experimento es un pequeño robot nadador que imita el aleteo de la cola de la cigala para propulsarse en el agua.​ En las pruebas en un tanque de tres metros, el dispositivo logró velocidades de entre 2 y 11 centímetros por segundo, similares a las de otros robots blandos 100% sintéticos.

Así, frente a los actuadores neumáticos o de silicona habituales, estos exoesqueletos reciclados ofrecen una alta relación potencia‑peso con estructuras muy ligeras, capaces de soportar cargas significativas sin necesidad de grandes sistemas de presión o motores voluminosos.​

Las pinzas robóticas desarrolladas con exoesqueletos abdominales de cigalas Create LAB / EPFL Omicrono

Además, aprovechan un residuo abundante de la industria alimentaria, lo que reduce el impacto ambiental y abre la puerta a una robótica más sostenible basada en materiales biológicos.

"Según nuestro conocimiento, somos los primeros en proponer una prueba de concepto para integrar los residuos alimentarios en un sistema robótico que combina el diseño sostenible con la reutilización y el reciclaje", sostiene Sareum Kim, investigadora del CREATE Lab y autora principal del artículo.

Límites y desafíos

Más allá de sus ventajas, los investigadores también descubrieron las limitaciones de su propuesta. Una de ellas, la más evidente, es la variabilidad de la morfología de las colas de cigala. Sus formas únicas impiden una mayor precisión en la pinza de dos dedos, que no consigue la uniformidad deseada para responder siempre de la misma manera.

Los autores señalan que, para superar este desafío, necesitarán desarrollar otros mecanismos, como controladores sintonizables, necesarios para aumentar la precisión de estos robots bioinspirados.

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Reconociendo sus limitaciones, los robots resultantes podrían utilizarse para implantes biomédicos, plataformas de monitorización de biosistemas o incluso "instalaciones robóticas artísticas que destaquen las cualidades estéticas de las arquitecturas biológicas".

"Aunque la naturaleza no proporciona necesariamente la forma óptima, sigue superando a muchos sistemas artificiales y ofrece información valiosa para diseñar máquinas funcionales basadas en principios elegantes", concluyen los investigadores.