Diseño de un robot blando que replica la locomoción de una medusa
Para imitar el movimiento de un animal conviene medirlo primero. Este proyecto comenzó con un video de una medusa nadando: un programa extrae el contorno de la campana en cada cuadro y obtiene el perfil, las posiciones extremas y las velocidades de la contracción. Con esos datos se diseñó un tentáculo neumático de silicona cuya forma inicial coincide con el perfil del animal en su posición más abierta, y se construyó un primer prototipo con cuatro tentáculos y una membrana. El prototipo reproduce las posiciones, pero su movimiento es más lento que el del animal.
Contexto
Una medusa se impulsa contrayendo su campana para expulsar agua y relajándola para volver a llenarla. Aunque la campana es una membrana continua, sus fibras musculares se organizan en bandas radiales. Esa observación sugiere una arquitectura simple para un robot: varios actuadores de flexión dispuestos de forma radial y unidos por una membrana pasiva.
Medición del movimiento
El video se procesó cuadro a cuadro. Se elimina el fondo, se detectan los bordes y un recorrido por líneas dentro de una ventana de análisis extrae el contorno de media campana.
Contorno detectado y ventana de análisis sobre un cuadro del video
Suponiendo simetría de revolución, del contorno se obtienen el volumen interno de la campana y el área de su boca en cada instante. La derivada del volumen da el caudal expulsado, y con él se estima el empuje.
Diseño del tentáculo
El tentáculo es un actuador de flexión del tipo usado en robótica blanda: una fila de cámaras sobre una capa inextensible. Su geometría de reposo se ajustó al perfil medido en el video.
Perfil inicial del actuador. En rojo, el perfil de la medusa obtenido del video
Antes de fabricarlo se verificó el sentido de la deformación con una simulación de vóxeles.
Secuencia de flexión del tentáculo simulada en VoxCAD
Geometría final del tentáculo y detalle de las cámaras
Accionamiento
Dos válvulas de tres vías, una de entrada y una de salida, alimentan los cuatro tentáculos en paralelo. El tiempo de apertura determina la posición, y la presión del reservorio determina la velocidad.
Circuito neumático de accionamiento de los cuatro tentáculos
Prototipo
Los tentáculos se vaciaron en Ecoflex en dos mitades que luego se pegaron. Se montaron sobre una cabeza impresa que aloja las válvulas, y el conjunto se cubrió con una membrana.
Vaciado de la silicona y las dos mitades del tentáculo curadas
Tentáculos unidos a la cabeza y sistema de accionamiento
Resultados
Perfil de la medusa y de dos tentáculos en la posición más abierta y en la más cerrada
En las posiciones extremas, el perfil de los tentáculos se aproxima al de la medusa. En el tiempo, no. El cierre es alrededor de 15 % más lento, y el retorno toma entre 3 y 4 s frente a unos 2 s en el animal. El retorno depende solo de la elasticidad de la silicona y de la capa de papel, y de la rapidez con que sale el aire.
El análisis del empuje de la medusa real, hecho a partir del video, resultó poco concluyente. El caudal se obtiene derivando una señal ruidosa y solo se distingue el pico de propulsión del cierre.
Volumen, área de la boca, caudal y propulsión estimados a partir del video
Lo que falta
El prototipo se probó en el aire y no en el agua. Los tentáculos, diseñados curvos, caen por su propio peso; se propone hacerlos más rectos. Las válvulas que caben dentro del robot no soportan la presión necesaria para un inflado rápido, por lo que se sugiere ubicarlas fuera. La manufactura fue poco repetible y consumió buena parte del tiempo del proyecto. Falta también una relación analítica entre la presión y la flexión del tentáculo.
Relación con Robiolab
Este proyecto muestra el método que el laboratorio asocia con la bioinspiración: medir al organismo, extraer el principio y diseñar con él, en lugar de copiar la apariencia. Las cuatro mejoras propuestas fueron el punto de partida de la implementación del robot nadador del año siguiente, que retomó estas recomendaciones.