Un controlador inspirado en las plantas que podría facilitar la operación de brazos robóticos en ambientes del mundo real.

5 de junio de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Muchos sistemas robóticos existentes se inspiran en la naturaleza, reproduciendo artificialmente procesos biológicos, estructuras naturales o comportamientos animales para lograr objetivos específicos. Esto se debe a que los animales y las plantas están equipados innatamente con habilidades que les ayudan a sobrevivir en sus respectivos entornos, y que también podrían mejorar el rendimiento de los robots fuera de los entornos de laboratorio.

Investigadores del Brain-Inspired Robotics (BRAIR) Lab, Instituto de Biorrobótica de la Escuela de Estudios Avanzados de Sant'Anna en Italia y la Universidad Nacional de Singapur desarrollaron recientemente un controlador inspirado en las plantas que podría mejorar el rendimiento de los brazos robóticos en entornos del mundo real no estructurados. Este controlador, presentado en un artículo presentado en la conferencia IEEE RoboSoft 2023 en Singapur y seleccionado entre los finalistas para el premio al mejor artículo estudiantil, permite específicamente a los brazos robóticos completar tareas que involucran llegar a ubicaciones u objetos específicos en su entorno.

"Los brazos robóticos blandos son una nueva generación de manipuladores robóticos que se inspiran en las avanzadas capacidades de manipulación exhibidas por organismos 'sin hueso', como tentáculos de pulpo, trompas de elefante, plantas, etc.", dijo Enrico Donato, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Tech Xplore. "La traducción de estos principios en soluciones de ingeniería da como resultado sistemas que están hechos de materiales flexibles y ligeros que pueden sufrir una deformación elástica suave para producir movimientos complacientes y hábiles. Debido a estas características deseables, estos sistemas se conforman a superficies y muestran robustez física y operación segura para humanos con un costo potencialmente bajo".

Si bien los brazos robóticos blandos podrían aplicarse a una amplia gama de problemas del mundo real, podrían ser particularmente útiles para automatizar tareas que implican llegar a ubicaciones deseadas que podrían ser inaccesibles para robots rígidos. Muchos equipos de investigación han estado intentando desarrollar controladores que permitan a estos brazos flexibles abordar eficazmente estas tareas.

"Generalmente, el funcionamiento de dichos controladores se basa en formulaciones computacionales que pueden crear un mapeo válido entre dos espacios operativos del robot, es decir, el espacio de tareas y el espacio de actuadores", explicó Donato. “Sin embargo, el correcto funcionamiento de estos controladores generalmente se basa en la retroalimentación visual, lo que limita su validez dentro de entornos de laboratorio, restringiendo la implementación de estos sistemas en entornos naturales y dinámicos. Este artículo es el primer intento de superar esta limitación no abordada y ampliar el alcance de estos sistemas a entornos no estructurados".

Como se encontró que la mayoría de los controladores existentes para los brazos robóticos blandos funcionan principalmente en entornos de laboratorio, Donato y sus colegas se propusieron crear un nuevo tipo de controlador que también pudiera ser aplicable en entornos del mundo real. El controlador que propusieron está inspirado en los movimientos y comportamientos de las plantas.

"Al contrario de la idea errónea común de que las plantas no se mueven, las plantas se mueven activa y deliberadamente de un punto a otro utilizando estrategias de movimiento basadas en el crecimiento", dijo Donato. "Estas estrategias son tan efectivas que las plantas pueden colonizar casi todos los hábitats del planeta, una capacidad que falta en el reino animal. Curiosamente, a diferencia de los animales, las estrategias de movimiento de las plantas no se originan en un sistema nervioso central, sino que surgir debido a formas sofisticadas de mecanismos de computación descentralizados".

La estrategia de control que subyace al funcionamiento del controlador de los investigadores intenta replicar los mecanismos descentralizados sofisticados que subyacen a los movimientos de las plantas. El equipo utilizó específicamente herramientas de inteligencia artificial basadas en comportamientos, que consisten en agentes de computación descentralizados combinados en una estructura de abajo hacia arriba.

"La novedad de nuestro controlador inspirado en la biología radica en su simplicidad, donde aprovechamos las funcionalidades mecánicas fundamentales del brazo robótico blando para generar el comportamiento general de alcanzar el objetivo", dijo Donato. "Específicamente, el brazo robótico blando se compone de una disposición redundante de módulos blandos, cada uno de los cuales se activa a través de un trío de actuadores dispuestos radialmente. Es bien sabido que para dicha configuración, el sistema puede generar seis direcciones principales de flexión".

The computing agents underpinning the functioning of the team's controller exploit the amplitude and timing the actuator configuration to reproduce two different type of plant movements, known as circumnutation and phototropism. Circumnutations are oscillations commonly observed in plants, while phototropism are directional movements that bring a plant's branches or leaves closer to the light.

The controller created by Donato and his colleagues can switch between these two behaviors, achieving the sequential control of robotic arms spanning across two stages. The first of these stages is an exploration phase, where the arms explore their surroundings, while the second is a reaching phase, where they move to reach a desired location or object.

'Perhaps the most important take-away from this particular work is that this is the first time redundant soft robot arms have been enabled reaching capabilities outside of the laboratory environment, with a very simple control framework,' Donato said. 'Furthermore, the controller is applicable to any soft robot arm provided a similar actuation arrangement. This is a step towards the use of embedded sensing and distributed control strategies in continuum and soft robots.'

So far, the researchers tested their controller in a series of tests, using a modular cable-driven, lightweight and soft robotic arm with 9 degrees of freedom (9-DoF). Their results were highly promising, as the controller allowed the arm to both explore its surroundings and reach a target location more effectively than other control strategies proposed in the past.

In the future, the new controller could be applied to other soft robotic arms and tested in both laboratory and real-world settings, to further assess its ability to deal with dynamic environmental changes. Meanwhile, Donato and his colleagues plan to develop their control strategy further, so that it can produce additional robotic arm movements and behaviors.

'We are currently looking to enhance the capabilities of the controller to enable more complex behaviors such as target tracking, whole-arm twining, etc., to enable such systems to function in natural environments for long periods of time,' Donato added.

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