Guantelete submarino pone habilidades de pulpo en manos humanas

Un equipo de investigadores dirigido por Michael Bartlett de Virginia Tech ha desarrollado un guante inspirado en un pulpo que puede sujetar objetos bajo el agua de forma segura. Su investigación fue seleccionada para la portada del 13 de julio de Los científicos progresan.

Los seres humanos no están naturalmente equipados para prosperar en un entorno submarino. Usamos tanques para respirar, trajes de neopreno para proteger y calentar nuestros cuerpos y gafas para ver con claridad. En tal ambiente, la mano humana también está mal equipada para sostener cosas. Cualquiera que haya tratado de sujetar un pez que se retuerce testificará que los objetos bajo el agua son difíciles de agarrar con nuestros dedos terrestres.

“Hay momentos críticos en los que se convierte en una responsabilidad”, dijo Bartlett, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica. “La naturaleza ya tiene excelentes soluciones, por lo que nuestro equipo recurrió a mundo natural para ideas El pulpo se ha convertido en una opción obvia para la inspiración”.

Los buzos de rescate, los arqueólogos submarinos, los ingenieros de puentes y los equipos de rescate utilizan sus manos para extraer personas y objetos del agua. Las manos humanas con menos capacidad para sostener objetos resbaladizos deben usar más fuerza, y un mango de hierro a veces puede comprometer estas operaciones. Cuando se requiere un toque delicado, sería útil tener manos hechas para el agua.

Estos son los mismos apéndices que Bartlett y sus colegas investigadores intentaron construir. Su equipo del Laboratorio de Materiales y Estructuras Flexibles ha adaptado soluciones biológicas en nuevas tecnologías basadas en materiales blandos y robótica.

Inspírate en un agarre poderoso

El pulpo es uno de los más criaturas únicas en el planeta, equipado con ocho largos brazos que pueden agarrar una gran cantidad de objetos en un medio acuático. En una hermosa integración de herramientas prácticas e inteligencia, estos brazos están cubiertos con ventosas controladas por los sistemas muscular y nervioso del animal marino.

Cada ventosa, con la forma del extremo de un pistón, proporciona una gran capacidad de elevación. Una vez que el borde exterior ancho de la copa se ha sellado con un objeto, los músculos se contraen y relajan el área hueca detrás del borde para agregar y liberar presión. Cuando se enganchan muchas ventosas, se crea una fuerte unión adhesiva de la que es difícil escapar.

“Cuando miramos al pulpo, el adhesivo ciertamente se destaca, activándose y soltando rápidamente el agarre a pedido”, dijo Bartlett. “Sin embargo, lo que es igualmente interesante es que el pulpo controla más de 2000 ventosas en ocho brazos mediante el procesamiento de información de varios sensores químicos y mecánicos. El pulpo realmente combina la capacidad de ajuste, la detección y el control de agarre para manipular objetos bajo el agua”.

Pon la inspiración en acción

Para diseñar su guante, los investigadores se centraron en reinventar las ventosas: varillas de goma flexibles rematadas con membranas flexibles accionadas. El diseño fue creado para realizar la misma función que la ventosa de un pulpo, lo que permite una fijación fiable a objetos con una ligera presión, ideal para adherirse a superficies planas y curvas.

Después de desarrollar los mecanismos adhesivos, también necesitaban una forma de que el guante detectara objetos y activara el agarre. Para esto, contrataron al profesor asistente Eric Markvicka de la Universidad de Nebraska-Lincoln, quien agregó una gama de sensores ópticos de proximidad micro-LIDAR que detectan la proximidad de un objeto. Luego, las ventosas y LIDAR se conectaron a través de un microcontrolador para acoplar la detección de objetos con el acoplamiento de la ventosa, imitando los sistemas nervioso y muscular de un pulpo.

El uso de sensores para enganchar las ventosas también hace que el sistema sea adaptable. En un ambiente natural, un pulpo envuelve sus brazos alrededor de rocas y superficies empinadas, adhiriéndose a conchas lisas y percebes ásperos. El equipo de investigación también quería algo que se sintiera natural para los humanos y les permitiera recoger cosas sin esfuerzo, adaptándose a diferentes formas y tamaños como lo haría un pulpo. Su solución fue un guante con ventosas sintéticas y sensores estrechamente integrados, una armonía de sistemas portátiles que capturan muchas formas diferentes bajo el agua. Lo llamaron Octa-guante.

“Al fusionar materiales adhesivos suaves y receptivos con la electrónica integrada, podemos agarrar objetos sin tener que apretarlos”, dijo Bartlett. “Esto hace que el manejo de objetos mojados o bajo el agua sea mucho más fácil y natural. La electrónica puede activar y soltar el agarre rápidamente. Simplemente mueva la mano hacia un objeto y el guante hace el trabajo de agarre. Todo se puede hacer sin que el usuario presione un solo botón. .”

ponte el guante

Durante las pruebas, los investigadores probaron varios modos de agarre diferentes. Para manipular objetos delicados y livianos, usaron un solo sensor. Descubrieron que podían levantar y liberar rápidamente objetos planos, juguetes de metal, cilindros, la parte de doble curva de una cuchara y una bola de hidrogel súper suave. Al reconfigurar la matriz de sensores para usar todos los sensores para la detección de objetos, también pudieron agarrar objetos más grandes como un plato, una caja y un tazón. Los objetos planos, cilíndricos, convexos y esféricos hechos de materiales duros y blandos se pegaban y levantaban, incluso cuando los usuarios no agarraban el objeto cerrando las manos.

“Estas capacidades imitan la manipulación, detección y control avanzados de cefalópodos y proporcionan una plataforma para pieles adhesivas sintéticas subacuáticas que pueden manipular de manera confiable varios objetos submarinos”, dijo el investigador postdoctoral Ravi Tutika. “Ciertamente es un paso en la dirección correcta, pero tenemos mucho que aprender tanto sobre pulpo y cómo hacer adhesivos integrados antes de alcanzar las capacidades de agarre completas de la naturaleza”.

De cara al futuro, los investigadores prevén que el guante desempeñe un papel en el campo de la robótica blanda para el agarre bajo el agua, aplicaciones en tecnologías asistidas por el usuario y Cuidado de la saludy en la fabricación para ensamblar y manipular objetos húmedos.

Este trabajo se realizó con Sean Frey, ABM Tahidul Haque, Elizabeth Krotz, Cole Haverkamp y Chanhong Lee, en representación de Virginia Tech, la Universidad Estatal de Iowa y la Universidad de Nebraska-Lincoln.