Según un estudio reciente enInformes CientíficosLos patrones de Turing se pueden utilizar para desarrollar un nuevo método para diseñar y producir actuadores neumáticos blandos (FSPA) basados ​​en tela.

Los actuadores neumáticos blandos (FSPA) basados ​​en tela son dispositivos flexibles y blandos que pueden deformarse o moverse cuando se ejerce presión sobre ellos.Funcionan inflando o desinflando, lo que hace que la tela se doble, se estire o se tuerza.

La robótica blanda a menudo depende de los FSPA debido a su flexibilidad y adaptabilidad cruciales.A diferencia de las piezas robóticas rígidas tradicionales, los FSPA pueden interactuar de forma segura con humanos y objetos delicados.

Gracias a su naturaleza suave y liviana, los FSPA son muy adecuados para aplicaciones como dispositivos portátiles, refugios adaptativos, pinzas robóticas y dispositivos de asistencia.Su valor radica en su bajo costo, seguridad y flexibilidad.

Sin embargo, diseñar y fabricar FSPA es un desafío.El desafío fue abordado por el equipo de investigación mediante la automatización del proceso.

El equipo estuvo formado por el Dr. Masato Tanaka y el Dr. Tsuyoshi Nomura de Toyota Central R&D Labs., Inc. en Japón y el Dr. Yuyang Song de Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. en EE. UU.

Phys.org habló con los investigadores quienes compartieron su motivación para realizar esta investigación.

"La motivación detrás de esta investigación surge de la necesidad reconocida en la comunidad de robótica blanda de actuadores neumáticos que puedan realizar movimientos controlados utilizando mecanismos simples sin depender de materiales o tecnologías especializados", dijo el Dr. Tanaka.

Patrones de Turing

"Nuestro objetivo era desarrollar FSPA simples y de bajo costo que lograran capacidades de transformación de formas. Nos concentramos específicamente en incorporar la teoría de la morfogénesis de Alan Turing, conocida como patrones de Turing, en ladiseñoproceso de estas texturas superficiales", dijo el Dr. Nomura.

Alan Turing presentó su teoría de la morfogénesis en 1952, describiendo cómo los patrones en la naturaleza (rayas, espirales, etc.) pueden surgir a partir de un estado distribuido uniformemente.

"Inspirándonos en el trabajo de Alan Turing, donde el patrón de Turing puede derivarse de ecuaciones de reacción-difusión isotrópicas, empleamos un método de optimización de la orientación basado en gradientes para diseñar la membrana superficial de los FSPA", dijo el Dr. Song.

Los patrones de Turing resultan de sistemas que tienen componentes de reacción y difusión.La idea principal es que tenemos dos sustancias que interactúan, una de las cuales promueve la promoción de ambas y la segunda suprime o inhibe la primera.

El resultado de este circuito de retroalimentación es la formación de patrones estables y repetitivos, o patrones de Turing, como las rayas que se ven en las cebras y los tigres.

Prueba y error

El mayor desafío al diseñar FSPA es la necesidad de prueba y error para encontrar el material adecuado.

"Las estructuras neumáticas tradicionales suelen utilizar materiales isotrópicos con características geométricas específicas, como líneas de costura, para lograr transformar la forma", explicó el Dr. Tanaka.

Los materiales isotrópicos blandos, conocidos por sus propiedades uniformes, se utilizan comúnmente en los FSPA tradicionales.Esto garantiza que el material se infle o se doble uniformemente cuando se aplica presión.

Sin embargo, diseñar y fabricar un material que se deforme de forma controlada y predecible requiere prueba y error, y puede llevar mucho tiempo.El objetivo del equipo de investigación era superar estas limitaciones mediante la automatización y optimización de procesos, lo que resultaría en movimientos más avanzados y controlados en aplicaciones robóticas suaves.

"Empleamos un método de optimización de la orientación basado en gradientes para diseñar la membrana superficial de estas estructuras. Este método supone el uso de materiales anisotrópicos en las membranas, donde la orientación puede variar libremente, lo que hace que la fabricación de dichas estructuras sea un desafío importante", afirmó el Dr.. Canción.

"Nuestra investigación aborda este desafío utilizando patrones de Turing para cerrar la brecha entre el diseño de optimización basado en la orientación del material y la impresión 3D", añadió el Dr. Nomura.

Automatizando el proceso

Los FSPA constan del material, que es la tela utilizada para construir el actuador y el actuador, que realiza el movimiento en respuesta a la presión.

El primer paso de su método fue optimizar la orientación del material, es decir, cómo se disponen las fibras de la tela flexible en la superficie del actuador.

Para ello, utilizaron el método de elementos finitos no lineales.Tras la optimización, el diseño de orientación se convirtió en patrones particulares en el material.

Estos patrones específicos se generaron a partir de un modelo matemático de sistemas anisotrópicos de reacción-difusión utilizados por los investigadores.Este patrón llena toda la superficie y asegura que el material se deforme de la forma deseada.

"Al resolver estas ecuaciones e incorporar información sobre la distribución de la anisotropía del material optimizada, generamos texturas de patrones de Turing anisotrópicos correspondientes a la anisotropía del material original", explicó el Dr. Tanaka.

Para fabricar la FSPA, los investigadores exploraron dos métodos: unión térmica y bordado.

En la unión por calor, una tela rígida como Dyneema se corta con láser según el patrón de Turing requerido y luego se adhiere a una tela más suave como una película de TPU mediante una prensa térmica.Por el contrario, la técnica del bordado incorpora el patrón de Turing en una tela suave con hilo rígido, lo que da como resultado regiones de diferente rigidez que permiten un movimiento controlado.

"Estos métodos de fabricación demostrados ofrecen posibilidades de producción escalables y rentables para estos actuadores avanzados", explicó el Dr. Song.

Comparando con los clásicos

El equipo de investigación comparó sus diseños con diseños simples clásicos, y sus diseños de patrones de Turing mostraron un rendimiento comparable y mejor.

Para los diseños en forma de C, el patrón de Turing resultó más eficaz que los diseños clásicos, reduciendo la distancia entre los bordes del actuador en aproximadamente un 10%.

Para los movimientos de torsión, los diseños de patrones de Turing se comportaron de manera similar a los diseños clásicos.Sin embargo, la flexión en forma de S es tradicionalmente difícil de lograr.

"Nuestro método puede lograr cualquier movimiento con una simple entrada neumática mediante el diseño del patrón de textura impreso en la membrana utilizando nuestro enfoque de optimización", dijo el Dr. Nomura.

Según el equipo de investigación, las investigaciones futuras podrían considerar la integración de diseños de patrones de Turing con materiales de vanguardia como memoria de forma o polímeros electroactivos, para desarrollar actuadores con dinámica mejorada.

Los investigadores también prevén explorar la ampliación de las técnicas de fabricación para dar cabida a la producción en masa y actuadores más grandes, posiblemente utilizando enfoques como la impresión 3D con materiales flexibles o el tejido automatizado para mejorar tanto la eficiencia como la precisión.

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