Arriba: La foto muestra dos prototipos de robots ensambladores en el trabajo que reúnen una serie de pequeñas unidades, conocidas como voxels, en una estructura más grande.
Pero, ¿qué pasaría si el ensamblaje final fuera el único ensamblaje, con todo el avión construido a partir de una gran variedad de pequeñas piezas idénticas, todas juntas por un ejército de pequeños robots?
Esa es la visión que el estudiante graduado Benjamin Jenett, que trabaja con el profesor Neil Gershenfeld en el Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT, ha estado persiguiendo como su trabajo de tesis doctoral. Ahora se ha llegado al punto de que las versiones prototipo de tales robots pueden ensamblar estructuras pequeñas e incluso trabajar juntas como un equipo para construir ensamblajes más grandes.
El nuevo trabajo aparece en la edición de octubre de las IEEE Robotics and Automation Letters, en un artículo de Jenett, Gershenfeld, la estudiante de posgrado Amira Abdel-Rahman y el alumno de CBA Kenneth Cheung SM '07, PhD '12, quien ahora está en la NASA Ames Research Center, donde dirige el proyecto ARMADAS para diseñar una base lunar que podría construirse con ensamblaje robótico.
"Este documento es una delicia", dice Aaron Becker, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Houston, que no estaba asociado con este trabajo. "Combina un diseño mecánico de primer nivel con demostraciones asombrosas, nuevo hardware robótico y un conjunto de simulación con más de 100,000 elementos", dice.
"Lo que está en el corazón de esto es un nuevo tipo de robótica, que llamamos robots relativos", dice Gershenfeld. Históricamente, explica, ha habido dos amplias categorías de robótica: las que están hechas de componentes personalizados caros que están cuidadosamente optimizados para aplicaciones particulares, como el ensamblaje de fábrica, y las que están hechas de módulos económicos producidos en masa con un rendimiento mucho menor. Los nuevos robots, sin embargo, son una alternativa a ambos. Son mucho más simples que los primeros, aunque mucho más capaces que los segundos, y tienen el potencial de revolucionar la producción de sistemas a gran escala, desde aviones hasta puentes y edificios enteros.
Según Gershenfeld, la diferencia clave radica en la relación entre el dispositivo robótico y los materiales que maneja y manipula. Con estos nuevos tipos de robots, "no se puede separar el robot de la estructura, funcionan juntos como un sistema", dice. Por ejemplo, aunque la mayoría de los robots móviles requieren sistemas de navegación de alta precisión para realizar un seguimiento de su posición, los nuevos robots ensambladores solo necesitan realizar un seguimiento de dónde están en relación con las pequeñas subunidades, llamadas voxels, en las que están trabajando actualmente. Cada vez que el robot da un paso hacia el siguiente vóxel, reajusta su sentido de posición, siempre en relación con los componentes específicos en los que se encuentra en ese momento.
La visión subyacente es que, al igual que las imágenes más complejas se pueden reproducir utilizando una matriz de píxeles en una pantalla, prácticamente cualquier objeto físico se puede recrear como una matriz de piezas tridimensionales más pequeñas, o vóxeles, que se pueden hacer de puntales y nodos simples. El equipo ha demostrado que estos componentes simples se pueden organizar para distribuir cargas de manera eficiente; En su mayoría están formados por espacios abiertos, de modo que se minimiza el peso total de la estructura. Los ensambladores simples pueden levantar y colocar las unidades una junto a la otra, y luego unirlas mediante sistemas de enganche integrados en cada vóxel.
Los robots se parecen a un brazo pequeño, con dos segmentos largos que están articulados en el medio, y dispositivos para sujetar las estructuras de vóxel en cada extremo. Los dispositivos simples se mueven como gusanos de pulgada, avanzando a lo largo de una fila de vóxeles al abrir y cerrar repetidamente sus cuerpos en forma de V para moverse de uno a otro. Jenett ha denominado a los pequeños robots BILL-E (un guiño al robot de películas WALL-E), que significa Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer.
Jenett ha construido varias versiones de los ensambladores como diseños de prueba de concepto, junto con los diseños de voxel correspondientes con mecanismos de enganche para unir o separar fácilmente a cada uno de sus vecinos. Ha utilizado estos prototipos para demostrar el ensamblaje de los bloques en estructuras lineales, bidimensionales y tridimensionales. "No estamos poniendo la precisión en el robot; la precisión proviene de la estructura ”a medida que toma forma gradualmente, dice Jenett. "Eso es diferente de todos los otros robots. Solo necesita saber cuál es su próximo paso ".
Mientras trabaja en el ensamblaje de las piezas, cada uno de los pequeños robots puede contar sus pasos sobre la estructura, dice Gershenfeld, quien es el director de CBA. Junto con la navegación, esto permite que los robots corrijan los errores en cada paso, eliminando la mayor parte de la complejidad de los sistemas robóticos típicos, dice. "Le faltan la mayoría de los sistemas de control habituales, pero siempre que no pierda un paso, sabe dónde está". Para aplicaciones prácticas de ensamblaje, enjambres de tales unidades podrían estar trabajando juntos para acelerar el proceso, gracias a software de control desarrollado por Abdel-Rahman que puede permitir a los robots coordinar su trabajo y evitar interponerse entre ellos.
Este tipo de ensamblaje de grandes estructuras a partir de subunidades idénticas que utilizan un sistema robótico simple, como un niño que ensambla un gran castillo con bloques LEGO, ya ha atraído el interés de algunos usuarios potenciales importantes, incluida la NASA, el colaborador del MIT en esta investigación, y la empresa aeroespacial europea Airbus SE, que también ayudó a patrocinar el estudio.
Una ventaja de dicho ensamblaje es que las reparaciones y el mantenimiento pueden manejarse fácilmente mediante el mismo tipo de proceso robótico que el ensamblaje inicial. Las secciones dañadas se pueden desmontar de la estructura y reemplazar por otras nuevas, produciendo una estructura que es tan robusta como la original. "La construcción es tan importante como la construcción", dice Gershenfeld, y este proceso también se puede utilizar para realizar modificaciones o mejoras en el sistema a lo largo del tiempo.
"Para una estación espacial o un hábitat lunar, estos robots vivirían en la estructura, manteniéndola y reparándola continuamente", dice Jenett.
En última instancia, dichos sistemas podrían usarse para construir edificios enteros, especialmente en entornos difíciles como el espacio, la luna o Marte, dice Gershenfeld. Esto podría eliminar la necesidad de enviar grandes estructuras premontadas desde la Tierra. En cambio, podría ser posible enviar grandes lotes de pequeñas subunidades, o formarlos a partir de materiales locales utilizando sistemas que podrían producir estas subunidades en su punto de destino final. "Si puedes hacer un avión jumbo, puedes hacer un edificio", dice Gershenfeld.
Sandor Fekete, directora del Instituto de Sistemas Operativos y Redes de Computadores de la Universidad Técnica de Braunschweig, en Alemania, que no participó en este trabajo, dice: “Los materiales digitales ultraligeros como [estos] abren perspectivas sorprendentes para construir complejos eficientes y complejos. , estructuras a gran escala, que son de vital importancia en aplicaciones aeroespaciales ".
Pero ensamblar dichos sistemas es un desafío, dice Fekete, quien planea unirse al equipo de investigación para un mayor desarrollo de los sistemas de control. “Aquí es donde el uso de robots pequeños y simples promete proporcionar el próximo avance: los robots no se cansan ni se aburren, y el uso de muchos robots en miniatura parece ser la única forma de hacer este trabajo crítico. Este trabajo extremadamente original e inteligente de Ben Jenett y sus colaboradores da un salto gigante hacia la construcción de alas de avión dinámicamente ajustables, enormes velas solares o incluso hábitats espaciales reconfigurables ".
En el proceso, dice Gershenfeld, "sentimos que estamos descubriendo un nuevo campo de sistemas híbridos de material-robot".
Los sistemas de pequeños robots pueden algún día construir estructuras de alto rendimiento, desde aviones hasta asentamientos espaciales.Los aviones comerciales de hoy en día se fabrican generalmente en secciones, a menudo en diferentes ubicaciones: alas en una fábrica, secciones de fuselaje en otra, componentes de cola en otro lugar, y luego se transportan a una planta central en enormes aviones de carga para el ensamblaje final.
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| La secuencia de fotos muestra un robot ensamblador en el trabajo, llevando una unidad estructural sobre la parte superior y hacia abajo del otro lado de una estructura en construcción. |
Pero, ¿qué pasaría si el ensamblaje final fuera el único ensamblaje, con todo el avión construido a partir de una gran variedad de pequeñas piezas idénticas, todas juntas por un ejército de pequeños robots?
Esa es la visión que el estudiante graduado Benjamin Jenett, que trabaja con el profesor Neil Gershenfeld en el Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT, ha estado persiguiendo como su trabajo de tesis doctoral. Ahora se ha llegado al punto de que las versiones prototipo de tales robots pueden ensamblar estructuras pequeñas e incluso trabajar juntas como un equipo para construir ensamblajes más grandes.
El nuevo trabajo aparece en la edición de octubre de las IEEE Robotics and Automation Letters, en un artículo de Jenett, Gershenfeld, la estudiante de posgrado Amira Abdel-Rahman y el alumno de CBA Kenneth Cheung SM '07, PhD '12, quien ahora está en la NASA Ames Research Center, donde dirige el proyecto ARMADAS para diseñar una base lunar que podría construirse con ensamblaje robótico.
"Este documento es una delicia", dice Aaron Becker, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Houston, que no estaba asociado con este trabajo. "Combina un diseño mecánico de primer nivel con demostraciones asombrosas, nuevo hardware robótico y un conjunto de simulación con más de 100,000 elementos", dice.
"Lo que está en el corazón de esto es un nuevo tipo de robótica, que llamamos robots relativos", dice Gershenfeld. Históricamente, explica, ha habido dos amplias categorías de robótica: las que están hechas de componentes personalizados caros que están cuidadosamente optimizados para aplicaciones particulares, como el ensamblaje de fábrica, y las que están hechas de módulos económicos producidos en masa con un rendimiento mucho menor. Los nuevos robots, sin embargo, son una alternativa a ambos. Son mucho más simples que los primeros, aunque mucho más capaces que los segundos, y tienen el potencial de revolucionar la producción de sistemas a gran escala, desde aviones hasta puentes y edificios enteros.
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| Experimentos que demuestran el ensamblaje robótico relativo de estructuras celulares discretas 1D, 2D y 3D |
Según Gershenfeld, la diferencia clave radica en la relación entre el dispositivo robótico y los materiales que maneja y manipula. Con estos nuevos tipos de robots, "no se puede separar el robot de la estructura, funcionan juntos como un sistema", dice. Por ejemplo, aunque la mayoría de los robots móviles requieren sistemas de navegación de alta precisión para realizar un seguimiento de su posición, los nuevos robots ensambladores solo necesitan realizar un seguimiento de dónde están en relación con las pequeñas subunidades, llamadas voxels, en las que están trabajando actualmente. Cada vez que el robot da un paso hacia el siguiente vóxel, reajusta su sentido de posición, siempre en relación con los componentes específicos en los que se encuentra en ese momento.
La visión subyacente es que, al igual que las imágenes más complejas se pueden reproducir utilizando una matriz de píxeles en una pantalla, prácticamente cualquier objeto físico se puede recrear como una matriz de piezas tridimensionales más pequeñas, o vóxeles, que se pueden hacer de puntales y nodos simples. El equipo ha demostrado que estos componentes simples se pueden organizar para distribuir cargas de manera eficiente; En su mayoría están formados por espacios abiertos, de modo que se minimiza el peso total de la estructura. Los ensambladores simples pueden levantar y colocar las unidades una junto a la otra, y luego unirlas mediante sistemas de enganche integrados en cada vóxel.
Los robots se parecen a un brazo pequeño, con dos segmentos largos que están articulados en el medio, y dispositivos para sujetar las estructuras de vóxel en cada extremo. Los dispositivos simples se mueven como gusanos de pulgada, avanzando a lo largo de una fila de vóxeles al abrir y cerrar repetidamente sus cuerpos en forma de V para moverse de uno a otro. Jenett ha denominado a los pequeños robots BILL-E (un guiño al robot de películas WALL-E), que significa Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer.
Jenett ha construido varias versiones de los ensambladores como diseños de prueba de concepto, junto con los diseños de voxel correspondientes con mecanismos de enganche para unir o separar fácilmente a cada uno de sus vecinos. Ha utilizado estos prototipos para demostrar el ensamblaje de los bloques en estructuras lineales, bidimensionales y tridimensionales. "No estamos poniendo la precisión en el robot; la precisión proviene de la estructura ”a medida que toma forma gradualmente, dice Jenett. "Eso es diferente de todos los otros robots. Solo necesita saber cuál es su próximo paso ".
Mientras trabaja en el ensamblaje de las piezas, cada uno de los pequeños robots puede contar sus pasos sobre la estructura, dice Gershenfeld, quien es el director de CBA. Junto con la navegación, esto permite que los robots corrijan los errores en cada paso, eliminando la mayor parte de la complejidad de los sistemas robóticos típicos, dice. "Le faltan la mayoría de los sistemas de control habituales, pero siempre que no pierda un paso, sabe dónde está". Para aplicaciones prácticas de ensamblaje, enjambres de tales unidades podrían estar trabajando juntos para acelerar el proceso, gracias a software de control desarrollado por Abdel-Rahman que puede permitir a los robots coordinar su trabajo y evitar interponerse entre ellos.
Este tipo de ensamblaje de grandes estructuras a partir de subunidades idénticas que utilizan un sistema robótico simple, como un niño que ensambla un gran castillo con bloques LEGO, ya ha atraído el interés de algunos usuarios potenciales importantes, incluida la NASA, el colaborador del MIT en esta investigación, y la empresa aeroespacial europea Airbus SE, que también ayudó a patrocinar el estudio.
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| La simulación por computadora muestra un grupo de cuatro robots ensambladores trabajando en la construcción de una estructura tridimensional. Enjambres enteros de tales robots podrían ser desatados para crear grandes estructuras como alas de avión o hábitats espaciales. Ilustración cortesía de los investigadores. |
Una ventaja de dicho ensamblaje es que las reparaciones y el mantenimiento pueden manejarse fácilmente mediante el mismo tipo de proceso robótico que el ensamblaje inicial. Las secciones dañadas se pueden desmontar de la estructura y reemplazar por otras nuevas, produciendo una estructura que es tan robusta como la original. "La construcción es tan importante como la construcción", dice Gershenfeld, y este proceso también se puede utilizar para realizar modificaciones o mejoras en el sistema a lo largo del tiempo.
"Para una estación espacial o un hábitat lunar, estos robots vivirían en la estructura, manteniéndola y reparándola continuamente", dice Jenett.
En última instancia, dichos sistemas podrían usarse para construir edificios enteros, especialmente en entornos difíciles como el espacio, la luna o Marte, dice Gershenfeld. Esto podría eliminar la necesidad de enviar grandes estructuras premontadas desde la Tierra. En cambio, podría ser posible enviar grandes lotes de pequeñas subunidades, o formarlos a partir de materiales locales utilizando sistemas que podrían producir estas subunidades en su punto de destino final. "Si puedes hacer un avión jumbo, puedes hacer un edificio", dice Gershenfeld.
Sandor Fekete, directora del Instituto de Sistemas Operativos y Redes de Computadores de la Universidad Técnica de Braunschweig, en Alemania, que no participó en este trabajo, dice: “Los materiales digitales ultraligeros como [estos] abren perspectivas sorprendentes para construir complejos eficientes y complejos. , estructuras a gran escala, que son de vital importancia en aplicaciones aeroespaciales ".
Pero ensamblar dichos sistemas es un desafío, dice Fekete, quien planea unirse al equipo de investigación para un mayor desarrollo de los sistemas de control. “Aquí es donde el uso de robots pequeños y simples promete proporcionar el próximo avance: los robots no se cansan ni se aburren, y el uso de muchos robots en miniatura parece ser la única forma de hacer este trabajo crítico. Este trabajo extremadamente original e inteligente de Ben Jenett y sus colaboradores da un salto gigante hacia la construcción de alas de avión dinámicamente ajustables, enormes velas solares o incluso hábitats espaciales reconfigurables ".
En el proceso, dice Gershenfeld, "sentimos que estamos descubriendo un nuevo campo de sistemas híbridos de material-robot".