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Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado un dispositivo de agarre robótico que es lo suficientemente suave como para recoger una gota de agua, lo suficientemente fuerte como para levantar un peso de 14,1 libras, lo suficientemente hábil como para doblar un paño y lo suficientemente preciso como para recoger microfilmes que Son 20 veces más delgados que un cabello humano.

Además de las posibles aplicaciones de fabricación, los investigadores también integraron el dispositivo con tecnología que permite controlar la pinza mediante señales eléctricas producidas por los músculos del antebrazo, lo que demuestra su potencial para su uso con prótesis robóticas.

"Es difícil desarrollar una única pinza suave que sea capaz de manipular objetos ultrablandos, ultrafinos y pesados, debido a las compensaciones entre fuerza, precisión y suavidad", dijo el autor correspondiente Jie Yin. "Nuestro diseño logra un excelente equilibrio de estas características".

El diseño de las nuevas pinzas se basa en una generación anterior de pinzas robóticas flexibles que se basaban en el arte del kirigami, similar al origami pero que implica cortar y doblar láminas bidimensionales de material para formar formas tridimensionales.

"Nuestras nuevas pinzas también utilizan kirigami, pero son sustancialmente diferentes, ya que aprendimos mucho del diseño anterior", dijo el coautor Yaoye Hong. "Hemos podido mejorar la estructura fundamental en sí, así como la trayectoria de las pinzas, es decir, la trayectoria en la que las pinzas se acercan a un objeto cuando lo agarran".

"La resistencia de las pinzas robóticas generalmente se mide en relación entre carga útil y peso", dijo Yin. “Nuestras pinzas pesan 0,4 gramos y pueden levantar hasta [14,1 libras]. Esa es una relación carga útil-peso de aproximadamente 16.000. Esto es 2,5 veces mayor que el récord anterior de relación carga útil-peso, que era de 6.400. Combinada con sus características de delicadeza y precisión, la fuerza de las pinzas sugiere una amplia variedad de aplicaciones”.

Los investigadores también integraron el dispositivo de agarre con una prótesis de mano mioeléctrica. "Esta pinza proporcionó una función mejorada para tareas que son difíciles de realizar utilizando dispositivos protésicos existentes, como cerrar ciertos tipos de cremalleras, recoger una moneda, etc.", dijo la coautora Helen Huang.

"La nueva pinza no puede reemplazar todas las funciones de las prótesis de manos existentes, pero podría usarse para complementar esas otras funciones", añadió Huang. “Y una de las ventajas de las pinzas kirigami es que no sería necesario reemplazar ni aumentar los motores existentes utilizados en las prótesis robóticas. Simplemente podría utilizar el motor existente al utilizar las pinzas”.

Las pruebas de concepto demostraron que las pinzas de kirigami podrían usarse junto con la prótesis mioeléctrica para pasar las páginas de un libro y arrancar uvas de una vid.

"Creemos que el diseño de la pinza tiene aplicaciones potenciales en campos que van desde las prótesis robóticas y el procesamiento de alimentos hasta la fabricación de productos farmacéuticos y electrónicos", dice Yin. "Esperamos trabajar con socios de la industria para encontrar formas de utilizar la tecnología".

Yin se sentó para una entrevista exclusiva de Tech Briefs, editada para mayor extensión y claridad. Lee abajo.

Resúmenes técnicos: ¿Cuál fue el catalizador de tu trabajo?

Yin : El año pasado publicamos un artículo sobre kirigami. En ese trabajo, demostramos que esta pinza se puede utilizar como agarrador y también demostramos que puede levantar, tal vez, 500 gramos. Eso es sólo para uso manual, o para usar una mano para estirar y hacer todas las demostraciones. Ahora queremos pensar en hacer algo más práctico, queremos ampliar las aplicaciones prácticas. Por ejemplo, cómo podemos integrarnos con los brazos robóticos e incluso con la prótesis: la prótesis de mano.

La primera pregunta es cómo podemos integrarnos y la segunda, en realidad más fundamental, es cómo podemos mejorar nuestros diseños. Entonces se nos ocurrió un nuevo diseño, que se inspiró en el zarcillo del pepino, porque está doblado y la punta está curvada. Usamos una forma de X para diseñar la cinta.

Cuando lo estiramos encontramos la trayectoria, por eso es ultradelicado y también ultrapreciso. Nos permite recoger láminas de cuatro micras de espesor; El cabello humano mide 80 micras.

Nuestra motivación es que queremos hacerlo más práctico y también más fuerte, más preciso y más suave. Entonces, con nuestra pinza podemos abordar todo eso en un solo diseño. Nuestra filosofía de diseño es única para todos: una pinza puede hacer muchas cosas diferentes.

Resúmenes técnicos: ¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó al desarrollar esta pinza?

Yin : Creo que el mayor desafío es, y tal vez solo lo mencioné un poco, cómo se puede superar el equilibrio entre cumplimiento, fuerza, delicadeza y cosas así. La mayoría de las pinzas de software están especializadas. Por ejemplo, se puede diseñar muy bien una pinza con un agarre suave, llamado agarre no destructivo o agarre no invasivo.

Pero se pueden diseñar otras pinzas para agarrar con precisión objetos muy pequeños, incluso microscópicos. Y también se pueden diseñar pinzas muy fuertes que puedan levantar mil veces su peso. Para hacer todo esto, necesitas diferentes pinzas. Entonces, el desafío aquí es cómo se puede usar una sola pinza para hacer todos los trabajos; eso es bastante desafiante.

Resúmenes técnicos : Se le cita diciendo: 'Creemos que la pinza tiene aplicaciones y campos potenciales que van desde prótesis robóticas y procesamiento de alimentos hasta productos farmacéuticos y electrónicos. Esperamos trabajar con socios de la industria para encontrar formas de poner en práctica esta tecnología”. Como va eso? ¿Hay alguna actualización que puedas compartir?

Yin : Ahora estamos solicitando una patente para las pinzas y vamos a seguir mejorando los diseños. Para la mano protésica, las tareas diarias son bastante desafiantes para las manos protésicas actuales, incluso las comerciales, especialmente el agarre. Debido a que esta pinza es, queremos decir una adición para implementar las pinzas actuales. Esta pinza se puede integrar simplemente en los brazos robóticos existentes, solo necesita un estiramiento. Si integra nuestra pinza con el brazo existente, no necesita la potencia real. No necesitas un sensor adicional. Podría funcionar muy bien.

Resúmenes técnicos : ¿Cuáles son tus siguientes pasos? ¿Algún otro plan futuro, investigación o trabajo en el horizonte?

La pinza dinámica imita el agarre ajustable de la mano humana

Controle las pinzas

Yin : Es un largo camino por recorrer para nosotros porque cuando piensas en pinzas, todo lo que hacemos es simplemente levantar cosas en su lugar, pero la pinza debería ser más poderosa. Por ejemplo, eventualmente queremos acercarnos a una mano humana, no sólo para agarrar algo sino para ejercer alguna fuerza. Por ejemplo, si abre una puerta, su mano primero agarrará las manijas y luego aplicará torsión (un movimiento) y luego empujará. Estos son tres procesos; Ahora mismo sólo podemos hacer lo primero. Definitivamente es un largo camino por recorrer. Ésa es una limitación que estamos tratando de abordar.

La segunda es la forma en que captas algo: se llama encapsular. Queremos estabilizar el agarre y luego poder recoger y colocar. Esas son dos limitaciones de este trabajo.

Resúmenes técnicos: ¿Hay algo más que le gustaría agregar que no hayamos mencionado?

Yin : Lo otro que quería mencionar es su aplicación en agricultura para la recolección de frutas. Esto podría resultar muy bueno para los arándanos u otras frutas frágiles. Nuestra pinza puede solucionarlo muy bien; puede ser muy suave pero también muy fuerte.