Las estructuras submarinas que pueden cambiar sus formas dinámicamente, como lo hacen los peces, empujan a través del agua de manera mucho más eficiente que los cascos rígidos convencionales. Pero la construcción de dispositivos deformables que pueden cambiar la curva de las formas de sus cuerpos manteniendo un perfil suave es un proceso largo y difícil. El RoboTuna del MIT, por ejemplo, se componía de unas 3.000 piezas diferentes y su diseño y construcción llevó unos dos años.

Ahora, los investigadores del MIT y sus colegas, incluido uno del equipo original de RoboTuna, han ideado un enfoque innovador para construir robots submarinos deformables, utilizando subestructuras repetitivas simples en lugar de componentes únicos. El equipo ha demostrado el nuevo sistema en dos configuraciones de ejemplo diferentes, una como una anguila y la otra como un hidroala con forma de ala. El principio en sí, sin embargo, permite variaciones prácticamente ilimitadas en forma y escala, dicen los investigadores.

El trabajo se informa hoy en la revista Soft Robotics, en un artículo del asistente de investigación del MIT, Alfonso Parra Rubio, los profesores Michael Triantafyllou y Neil Gershenfeld, y otros seis.

Los enfoques existentes para la robótica blanda para aplicaciones marinas generalmente se realizan en escalas pequeñas, mientras que muchas aplicaciones útiles del mundo real requieren dispositivos en escalas de metros. El nuevo sistema modular que proponen los investigadores podría extenderse fácilmente a tales tamaños y más, sin requerir el tipo de reequipamiento y rediseño que se necesitaría para ampliar los sistemas actuales.

“La escalabilidad es un punto fuerte para nosotros”, dice Parra Rubio. Dada la baja densidad y la alta rigidez de las piezas reticulares, llamadas vóxeles, que componen su sistema, dice, "tenemos más espacio para seguir escalando", mientras que la mayoría de las tecnologías utilizadas actualmente "se basan en materiales de alta densidad que enfrentan problemas drásticos” al pasar a tamaños más grandes.

Los vóxeles individuales en los dispositivos experimentales de prueba de concepto del equipo son en su mayoría estructuras huecas hechas de piezas de plástico fundido con puntales estrechos en formas complejas. Las formas en forma de caja soportan carga en una dirección pero son suaves en otras, una combinación inusual lograda al combinar componentes rígidos y flexibles en diferentes proporciones.

“Tratar la robótica blanda versus la dura es una falsa dicotomía”, dice Parra Rubio. “Esto es algo intermedio, una nueva forma de construir cosas”. Gershenfeld, director del Centro de Bits y Átomos del MIT, agrega que "esta es una tercera vía que combina los mejores elementos de ambos".

“La suave flexibilidad de la superficie del cuerpo nos permite implementar un control de flujo que puede reducir la resistencia y mejorar la eficiencia de propulsión, lo que resulta en un ahorro sustancial de combustible”, dice Triantafyllou, quien es profesor Henry L. y Grace Doherty en Ciencias e Ingeniería Oceánicas, y fue parte del equipo de RoboTuna.

Crédito: Cortesía de los investigadores.

En uno de los dispositivos producidos por el equipo, los vóxeles se unen de extremo a extremo en una larga fila para formar una estructura con forma de serpiente de un metro de largo. El cuerpo está formado por cuatro segmentos, cada uno de los cuales consta de cinco vóxeles, con un actuador en el centro que puede tirar de un cable conectado a cada uno de los dos vóxeles a cada lado, contrayéndolos y haciendo que la estructura se doble. A continuación, toda la estructura de 20 unidades se cubre con una estructura de soporte en forma de nervadura, y luego con una piel de neopreno impermeable ajustada. Los investigadores desplegaron la estructura en un tanque de remolque del MIT para mostrar su eficiencia en el agua y demostraron que, de hecho, era capaz de generar suficiente empuje hacia adelante para impulsarse hacia adelante mediante movimientos ondulantes.

"Ha habido muchos robots con forma de serpiente antes", dice Gershenfeld. “Pero generalmente están hechos de componentes hechos a la medida, a diferencia de estos bloques de construcción simples que son escalables”.

Por ejemplo, dice Parra Rubio, un robot con forma de serpiente construido por la NASA estaba compuesto por miles de piezas únicas, mientras que para la serpiente de este grupo, “demostramos que hay unas 60 piezas”. Y en comparación con los dos años dedicados al diseño y la construcción del MIT RoboTuna, este dispositivo se ensambló en aproximadamente dos días, dice.

El otro dispositivo que demostraron es una forma similar a un ala, o hidroala, compuesta por una matriz de los mismos vóxeles pero capaz de cambiar la forma de su perfil y, por lo tanto, controlar la relación sustentación-resistencia y otras propiedades del ala. Tales formas similares a alas podrían usarse para una variedad de propósitos, que van desde generar energía a partir de las olas hasta ayudar a mejorar la eficiencia de los cascos de los barcos, una demanda apremiante, ya que el transporte marítimo es una fuente importante de emisiones de carbono.

La forma del ala, a diferencia de la serpiente, está cubierta por una serie de mosaicos superpuestos en forma de escamas, diseñados para presionarse entre sí para mantener un sello impermeable incluso cuando el ala cambia su curvatura. Una posible aplicación podría ser algún tipo de adición al perfil del casco de un barco que podría reducir la formación de remolinos que inducen el arrastre y, por lo tanto, mejorar su eficiencia general, una posibilidad que el equipo está explorando con colaboradores en la industria naviera.

Scott Bergeron, director gerente de compromiso global y sustentabilidad de Oldendorff Carriers, dice que “una variedad de tecnologías innovadoras, como la demostración del equipo del MIT sobre la viabilidad de la transformación hidrodinámica en los sistemas celulares, representan cambios prometedores en los diseños tradicionales que pueden ayudarnos a satisfacer el desafío del mandato de la ONU para reducir la huella de carbono del transporte marítimo”.

En última instancia, el concepto podría aplicarse a una embarcación sumergible similar a una ballena, utilizando su forma de cuerpo transformable para crear propulsión. Una nave de este tipo que podría evadir el mal tiempo permaneciendo bajo la superficie, pero sin el ruido y la turbulencia de la propulsión convencional. El concepto también podría aplicarse a partes de otras embarcaciones, como yates de carreras, donde tener una quilla o un timón que pudiera curvarse suavemente durante un giro en lugar de permanecer recto podría proporcionar una ventaja adicional. "En lugar de ser rígido o simplemente tener una aleta, si realmente puede curvarse como lo hacen los peces, puede transformarse en el giro de manera mucho más eficiente", dice Gershenfeld.

El equipo de investigación incluyó a Dixia Fan de la Universidad de Westlake en China; Benjamin Jenett SM ´15, PhD´ 20 de Discrete Lattice Industries; José del Aguila Ferrandis, Amira Abdel-Rahman y David Preiss del MIT; y Filippos Tourlomousis del Centro de Investigación Demokritos de Grecia. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., la financiación de CBA Consortia y el Programa Sea Grant del MIT.