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12 may 2013
Insectos robóticos hacen el primer vuelo controlado
El
verano pasado, en un laboratorio de robótica de Harvard, un insecto tomó vuelo.
Con la mitad del tamaño de un clip de papel y un peso de menos de una décima de
gramo, que saltó unos centímetros, se cernía un momento en frágiles aleteos de las alas, y luego se aceleró a lo
largo de una ruta predeterminada a través del aire.
Como
un padre orgulloso de ver a un niño dar sus primeros pasos, el estudiante
graduado Pakpong Chirarattananon inmediato capturó un video de la incipiente y
que envió por correo electrónico a su asesor y sus colegas a las 3 am.
"Estaba
tan emocionado, que no podía dormir", recuerda Chirarattananon, co-autor
principal de un artículo publicado esa semana en Science.
 |
La
demostración del primer vuelo controlado de un robot insecto es la culminación
de más de una década de trabajo, dirigido por investigadores de la Escuela de
Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) y el Instituto Wyss de Ingeniería
Inspirada Biológicamente en Harvard.
"Esto
es lo que he estado tratando de hacer literalmente por los últimos 12
años", dice Robert J. Wood, profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de
la SEAS, y el investigador principal de la National Science Foundation.
"Es realmente sólo por los últimos avances de este laboratorio de
fabricación, materiales y diseño que nosotros también hemos sido capaces de
probar esto. Y que funcionó espectacularmente bien. "
Quiero
crear algo que el mundo nunca haya visto antes. Se trata de la emoción de
empujar los límites de lo que pensamos que podemos hacer, los límites del
ingenio humano ".
Inspirado
por la biología de la mosca, con la anatomía submilimétrica y dos alas
finísimas casi invisibles aleteando a casi 120 veces por segundo, el pequeño
dispositivo no sólo representa la vanguardia absoluta de los sistemas de
microfabricación y control, sino que es una aspiración que ha impulsado la
innovación en estos campos por docenas de investigadores en Harvard durante
años.
"Tuvimos
que desarrollar soluciones desde cero, para todo", explica Wood. "Nos
gustaría tener un componente de trabajo, pero cuando pasamos a la siguiente,
cinco nuevos problemas surgían. Era un blanco móvil ".Los grandes robots
pueden ejecutarse en los motores electromagnéticos, pero en esta pequeña escala
tiene que llegar a una alternativa, y no había ni una", dice el co-autor
principal Kevin Y. Ma, un estudiante graduado de SEAS.
Las
solapas robot diminutas, sus alas, se mueven con actuadores piezoeléctricos -
tiras de cerámica que se expanden y contraen cuando se aplica un campo eléctrico.
Bisagras delgadas de plástico incrustados en el bastidor de carrocería de fibra
de carbono sirven como uniones, y un sistema de control delicadamente
equilibrado manda los movimientos de rotación en el robot aleteo-ala, cada ala controlada de forma independiente en
tiempo real.
A
escalas pequeñas, los pequeños cambios en el flujo de aire pueden tener un
efecto descomunal en la dinámica de vuelo, y el sistema de control tiene que
reaccionar mucho más rápido que al permanecer estable.
Los
insectos robóticos también se aprovechan de una técnica de fabricación
emergente ingeniosa que fue desarrollado por el equipo de Wood en 2011. Hojas
de diversos materiales de corte por láser se superponen y emparedadas juntas en
una placa delgada y plana que se dobla como el libro de un niño en la
estructura electromecánica completa.
El
proceso es rápido, paso a paso sustituye a lo que solía ser un arte manual
laborioso y permite que al equipo utilizar materiales más robustos en nuevas
combinaciones, al mismo tiempo que mejora la precisión global de cada
dispositivo.
"Ahora
podemos crear rápidamente prototipos fiables, lo que nos permite ser más
agresivo en la forma en que probamos", dice Ma, quien agregó que el equipo
ha pasado por 20 prototipos en tan sólo los últimos seis meses.
Las
aplicaciones del proyecto Robobee podrían incluir el control distribuido
ambiental, las operaciones de búsqueda y rescate o la ayuda en la polinización
de cultivos, pero los materiales, técnicas de fabricación y componentes que
surgen en el camino pueden llegar a ser aún más importante. Por ejemplo, el
proceso de fabricación emergente podría permitir una nueva clase de
dispositivos médicos complejos.
"El
aprovechamiento de la biología para resolver problemas del mundo real es lo que
hace el Instituto Wyss ", dice el Director Fundador de Wyss Don Ingber.
"Este trabajo es un hermoso ejemplo de cómo reunir a los científicos e
ingenieros de diversas disciplinas para llevar a cabo la investigación
inspirada en la naturaleza
3 may 2013
Piel artificial transparente
 |
| Matriz de transistores PIEZOTRONIC capaces de convertir el movimiento mecánico en señales directamente controlantes electrónicos. |
Utilizando haces de nanocables de óxido de zinc verticales,
los investigadores han fabricado series de transistores capaces de convertir el
movimiento mecánico en señales electrónicas. Los arreglos pueden ayudar a dar a
los robots un sentido más adaptable del tacto, proporciona una mayor seguridad
en las firmas escritas a mano y ofrecen nuevas formas para que los humanos
interactúan con dispositivos electrónicos.
Las matrices incluyen más de 8.000 transistores PIEZOTRONIC en
funcionamiento, cada uno de los cuales puede producir independientemente una
señal electrónica de control cuando se coloca bajo tensión mecánica.
Estos
transistores sensibles al tacto(apodados "taxels") podrían
proporcionar importantes mejoras en las operaciones de resolución, sensibilidad
y adaptación en comparación con las técnicas existentes para la detección
táctiles. Su sensibilidad es comparable a la de un dedo humano. Los taxels
alineados verticalmente con los transistores operan en dos terminales. En lugar
de una tercer terminal utilizada por transistores convencionales para controlar
el flujo de corriente que pasa a través de ellos, los taxels controlan la
corriente con una técnica llamada Strain-gating, basada en el efecto
PIEZOTRONIC que utiliza las cargas eléctricas generadas en el Schottky para
ponerse en contacto con la interfaz por el efecto piezoeléctrico cuando los
nanocables se colocan bajo tensión por la aplicación de la fuerza mecánica. La
investigación fue publicada 25 de abril en la revista Science en línea, en el
sitio web Science Express, y se publicará en una versión posterior de la
revista impresa. La investigación ha sido patrocinada por la Defense Advanced
Research Projects Agency (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), la
Fuerza Aérea de EE.UU. (USAF), el Departamento de Energía (DOE) de EE.UU. y el
Programa de Innovación del Conocimiento de la Academia China de Ciencias.
"Cualquier movimiento mecánico, tales como el
movimiento de los brazos o los dedos de un robot, se podría traducir a señales
de control", explicó Zhong Lin Wang, profesor de la Cátedra de Regentes y
Hightower de la Facultad de Ciencia de los Materiales e Ingeniería en el
Instituto Georgia de Tecnología. "Esto podría hacer a la piel artificial
más inteligente y más como la piel humana. Sería permitir que la piel se sienta
la actividad en la superficie ".
Imitar el sentido del tacto ha sido un reto, y ahora se
realiza mediante la medición de cambios en la resistencia impulsadas por
contacto mecánico. Los dispositivos desarrollados por los investigadores de
Georgia Tech se basan en un fenómeno físico distinto - cargas de polarización
diminutas se forman cuando los materiales piezoeléctricos, tales como el óxido
de zinc se mueven o se colocan bajo tensión. En los transistores PIEZOTRONIC,
las cargas piezoeléctricos controlan el flujo de corriente a través de los
cables.
La técnica sólo funciona en materiales que tienen ambas
propiedades piezoeléctricas y semiconductoras. Estas propiedades se ven en
nanocables y películas delgadas creadas a partir de la wurtzita y una familias
mezcla de materiales de zinc, que incluye óxido de cinc, nitruro de galio y
sulfuro de cadmio.
En su laboratorio, Wang y sus co-autores -el doctor Wenzhuo Wu y el asistente de posgrado de
investigación Xiaonan Wen - fabrican matrices de 92 por 92 transistores. Los
investigadores utilizaron una técnica de crecimiento químico en aproximadamente
85 a 90 grados centígrados, lo que les permitió fabricar matrices de
tensión-garse y transistores PIEZOTRONIC verticales sobre sustratos que son
adecuados para aplicaciones de microelectrónica.
Los transistores se componen
de haces de aproximadamente 1500 nanocables individuales, cada uno de
nanocables entre 500 y 600 nanómetros de diámetro.
En los dispositivos de matriz, los transistores PIEZOTRONIC
verticales y de tensión-garse activas se intercalan entre los electrodos
superior e inferior de óxido de indio y estaño alineado en configuraciones de
barras cruzadas ortogonales. Una fina capa de oro se deposita entre las
superficies superior e inferior de los nanocables de óxido de zinc y los
electrodos superior e inferior, que forman contactos Schottky. Una capa delgada
del polímero de parileno se aplica entonces sobre el dispositivo como una
barrera de humedad y corrosión.
La densidad de la matriz es 234 píxeles por pulgada, la
resolución es mejor que 100 micras, y los sensores son capaces de detectar los
cambios de presión tan bajas como 10 kilopascales. La resolución es comparable
a la de la piel humana, dijo Wang. Los investigadores de Georgia Tech fabrican
varios cientos de arrays en un proyecto de investigación que duró casi tres
años.
Los arrays son transparentes, lo que podría permitir que
sean usados en touch-pads y otros dispositivos para la toma de huellas
dactilares. También es flexible y plegable, ampliando la gama de usos
potenciales.
El trabajo futuro incluirá la producción de los arrays Taxel
de nanocables individuales en lugar de los paquetes, y la integración de las
matrices en los dispositivos de silicio CMOS. Usando cables individuales podría
mejorar la sensibilidad de las matrices por al menos tres órdenes de magnitud,
dijo Wang.
"Esta es una totalmente nueva tecnología que nos
permite controlar los dispositivos electrónicos directamente mediante agitación
mecánica", agregó Wang. "Esto podría ser utilizado en una amplia gama
de áreas, incluyendo la robótica, MEMS, interfaces hombre-máquina y otras áreas
que implican deformación mecánica."
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