Las pinzas robóticas ofrecen una combinación sin precedentes de fuerza y ​​delicadeza

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 6,4 kilogramos (14,1 libras), lo suficientemente hábil como para doblar un paño y lo suficientemente preciso 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 pinza única y suave que sea capaz de manipular objetos ultrablandos, ultrafinos y pesados, debido a las compensaciones entre fuerza, precisión y suavidad", dice Jie Yin, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y asociado. Profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State. "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, 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", dice Yaoye Hong, coautor del artículo y reciente doctorado. Graduado del estado de Carolina del Norte. "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".

El nuevo diseño es capaz de lograr altos grados de resistencia y suavidad gracias a la forma en que distribuye la fuerza por toda la estructura de la pinza.

"La resistencia de las pinzas robóticas generalmente se mide en relación entre carga útil y peso", dice Yin. “Nuestras pinzas pesan 0,4 gramos y pueden levantar hasta 6,4 kilogramos. 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”.

Otro beneficio de la nueva tecnología es que sus atractivas características se deben principalmente a su diseño estructural, más que a los materiales utilizados para fabricar las pinzas.

"En términos prácticos, esto significa que se podrían fabricar las pinzas con materiales biodegradables, como hojas de plantas resistentes", afirma Hong. “Esto podría resultar especialmente útil para aplicaciones en las que sólo se desea utilizar las pinzas durante un período de tiempo limitado, como cuando se manipulan alimentos o materiales biomédicos. Por ejemplo, hemos demostrado que las pinzas se pueden utilizar para manipular desechos médicos punzantes, como agujas”.

Los investigadores también integraron el dispositivo de agarre con una prótesis de mano mioeléctrica, lo que significa que la prótesis se controla mediante la actividad muscular.

"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.", dice Helen Huang, coautora del artículo y Jackson Family Distifused. Profesor del Departamento Conjunto de Ingeniería Biomédica de NC State y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

"La nueva pinza no puede reemplazar todas las funciones de las prótesis de manos existentes, pero podría usarse para complementar esas otras funciones", dice 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”.

En las pruebas de concepto, los investigadores 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".

El artículo, “Las trayectorias en forma de zarcillo programadas en ángulo permiten una pinza multifuncional con ultradelicadeza, ultrafuerza y ​​ultraprecisión”, se publica en acceso abierto en la revista Nature Communications. El artículo fue coautor de Yao Zhao y Yanbin Li, investigadores postdoctorales de NC State; Joseph Berman, Ph.D. estudiante de NC State; y Yinding Chi, ex Ph.D. estudiante en NC State.

El trabajo se realizó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo las subvenciones 2005374 y 2221479.

-barquero-

Nota para los editores: A continuación se presenta el resumen del estudio.

“Las trayectorias en forma de zarcillos programadas en ángulo permiten una pinza multifuncional con ultradelicadeza, ultraresistencia y ultraprecisión”

Autores: Yaoye Hong, Yao Zhao, Joseph Berman, Yinding Chi, Yanbin Li y Jie Yin, Universidad Estatal de Carolina del Norte; He (Helen) Huang, Universidad Estatal de Carolina del Norte y Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill

Publicado: 2 de agosto de 2023, Nature Communications

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39741-6

Abstracto : Lograr capacidad múltiple en una sola pinza blanda para manipular objetos ultrablandos, ultrafinos y ultrapesados ​​es un desafío debido a la compensación entre cumplimiento, resistencia y precisión. Aquí, combinando experimentos, teoría y simulación, informamos que utilizamos trayectorias de agarre en forma de zarcillos programadas en ángulo para obtener una pinza ultrasuave pero ultrafuerte y ultraprecisa. La pinza única puede agarrar delicadamente líquidos frágiles con una presión de contacto mínima (0,05 kPa), levantar objetos 16.000 veces su propio peso y agarrar con precisión objetos ultrafinos y flexibles, como láminas de 4 m de espesor y microfibras de 2 m de diámetro sobre superficies planas. superficies, todo ello con un alto índice de éxito. Su diseño escalable e independiente del material permite utilizar pinzas no invasivas biodegradables hechas de hojas naturales. Las trayectorias controladas explícitamente facilitan su integración con brazos robóticos y prótesis para tareas desafiantes, como recoger uvas, abrir cremalleras, doblar ropa y pasar páginas. Este trabajo muestra pinzas blandas que sobresalen en escenarios extremos con aplicaciones potenciales en agricultura, procesamiento de alimentos, prótesis, biomedicina, cirugías mínimamente invasivas y exploración de aguas profundas.