Pequeños milagros: los microrobots y su aplicación

La última tendencia popular y prometedora de la robótica es la miniaturización. Los últimos avances en bots y drones no se basan en la tecnología digital, sino en el peso: cuanto menor sea el tamaño de los sensores, la importancia de las cámaras y otros equipos inteligentes, mejor.

Microbots

La microbótica es el campo de la robótica en miniatura, especialmente los robots móviles con un tamaño característico inferior a 1 mm. La terminología también puede utilizarse para los robots capaces de mecanizar componentes de tamaño micrométrico.

Historia de la aparición de los microrobots

Los microrobots nacieron con la llegada del microcontrolador en la última década del siglo XX y el inicio de los sistemas mecánicos en miniatura. Las primeras investigaciones y desarrollos conceptuales de este tipo de robots se produjeron a principios de los años 70 en un estudio (entonces) privado para las agencias de inteligencia estadounidenses. En aquel momento, los principales objetivos de la investigación eran hacer realidad la necesidad de organizar misiones de rescate de prisioneros y de interceptación electrónica. En aquel momento, las tecnologías esenciales de apoyo a la miniaturización no estaban totalmente desarrolladas, por lo que no se logró ningún avance significativo en el desarrollo de prototipos. Los avances en la conectividad inalámbrica, especialmente el Wi-Fi, han aumentado considerablemente la capacidad de comunicación de los microrrobots y, por tanto, su capacidad de coordinarse con otros microrrobots para realizar tareas más complejas. De hecho, muchos estudios recientes se han centrado en las comunicaciones de los microrrobots, entre ellos un robot de la Universidad de Harvard que se ensambla en varias formas; y la producción de microrrobots en SRI International para el programa MicroFactory for Macro Products de DARPA, que puede crear estructuras ligeras y de gran resistencia.

Características del diseño

Los microrobots tienen un tamaño inferior a 1 mm. En este sentido, se diferencian de los milirobots, de menos de 10 cm, de los pequeños robots de menos de 100 cm y de los nanorobots, de un tamaño igual o inferior a 1 micrómetro o en un rango de tamaño de 1 a 1000 nm. Debido a su pequeño tamaño, los microrobots son potencialmente muy baratos y pueden utilizarse en grandes cantidades (robots enjambre) para explorar entornos demasiado pequeños o peligrosos para los humanos o los robots más gigantes. Los microrobots son especialmente útiles para buscar supervivientes en edificios derrumbados tras un terremoto o para explorar el tracto digestivo. Carecen de potencia física y/o computacional, pero esto puede compensarse con grupos o enjambres de microrobots. La forma en que se mueven los microrobots depende de su finalidad y del tamaño que necesiten. Por ejemplo, los robots que funcionan en entornos acuosos u otros líquidos suelen tener flagelos giratorios móviles. Uno de los principales problemas a la hora de mover un microrrobot es conseguir esta capacidad utilizando una fuente de energía mínima. Los microrobots pueden utilizar una pequeña y ligera fuente de baterías o pueden alimentarse con la energía del entorno en forma de vibración. Los microrrobots también utilizan motores biológicos como fuentes de energía, como los flagelos, para obtener energía química del fluido circundante para alimentar el dispositivo robótico. Una alternativa habitual a la batería de a bordo es alimentar los robots con energía externa. Algunos ejemplos son los campos electromagnéticos, los ultrasonidos y la luz para activar y controlar los microrobots. Para ser autónomo, un microrobot debe tener:

  • Sensores suficientemente eficientes (micro o nanosensores),
  • La autonomía energética requiere microbaterías eficientes de bajo consumo o la capacidad de encontrar y utilizar una fuente de energía externa (solar, microondas, fuente de hidrógeno, capacidad biomimética para extraer energía de la materia orgánica, etc.). Una forma de ahorrar energía es asegurarse de que las diversas funciones del microrobot se activen solo cuando sea necesario y de manera óptima. El resto del tiempo, se ponen en espera, lo que no impide que se muevan de forma pasiva (llevadas por el viento, corriente, vehículo, etc.),
  • un sistema inteligente incorporado (individual o colectivo en el caso de robots con funciones adicionales trabajando juntos) y/o comunicación que permita la interacción o el control remoto,
  • el plan de estudios debe ser lo suficientemente complejo para responder a la aparición de eventos simples y cambios en el entorno (estímulos) y responder a ellos (individual o colectivamente) con reacciones apropiadas.

Aplicaciones

Las excelentes perspectivas con microrobots implican tareas peligrosas, dolorosas, repetitivas o imposibles para los humanos (en espacios pequeños, en el vacío) o funciones más accesibles. Aún así, los robots pueden realizarlas mejor que los humanos. También se pueden utilizar como robots industriales y técnicos (capaces, por ejemplo, de fabricar piezas o mecanismos diminutos, diagnosticar o reparar el interior de una máquina sin desmontarla, inspeccionar tuberías desde el interior, etc.). Son capaces de trabajar en vacío o en un ambiente sin aire, etc. Hoy en día ya se han desarrollado y aplicado microrobots en el ámbito doméstico (robots de servicio), por ejemplo, robots para aspiradoras y juegos o robots de entrenamiento para programación.

Aplicaciones de micro-robots en el cuidado de la salud

El año 2018 ha visto un progreso significativo en el uso de micro-robots en el cuidado de la salud. Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong publicaron un estudio en la revista Science Robotics afirmando que los micro-robots pueden usarse para diagnosticar enfermedades, administrar medicamentos e incluso en cirugía, todo a nivel celular. Los investigadores ya han llevado a cabo con éxito ensayos, como la entrega de células en el lugar correcto en un ratón vivo. La posible aplicación práctica de estas tecnologías es la entrega de sustancias beneficiosas a un lugar específico del cuerpo humano, lo que podría convertirse en un nuevo tipo de medicina personalizada no invasiva. Los científicos han estado desarrollando robots aún más pequeños para una medicina más precisa durante años. La miniaturización actual los ha ayudado dramáticamente a crear micro-robots médicos, la unidad de medida que ya no es un milímetro sino una micra. Estos pequeños bots pueden diagnosticar y controlar enfermedades en tiempo real, medir los niveles de azúcar en la sangre de los diabéticos o administrar los medicamentos necesarios con precisión a un objetivo, como un tumor. Los desarrolladores también han creado micro-robots flotantes capaces de navegar a través de los fluidos corporales humanos. Estos bots imitan los procesos naturales del cuerpo; avanzan utilizando ondas metacrónicas, similares a los infusorios del cuerpo humano. Los científicos están tratando de encontrar aplicaciones para estas tecnologías, desde el tratamiento de enfermedades cardiovasculares hasta la cirugía ocular. En el futuro, los micro-robots podrían limpiar las arterias de la placa y romper los cálculos renales. Un robot médico o una ayuda médica en forma de micro-robot podría algún día ser capaz de trabajar en un organismo vivo.

Aplicación de micro-robots en condiciones extremas

En primer lugar, las condiciones extremas en robótica son peligrosas para las personas o los dispositivos técnicos: fondo de alta radiación, entorno químicamente agresivo, fuertes campos electromagnéticos, alta presión y temperatura. Cuando los robots realizan diversas tareas en escenarios de catástrofes naturales o provocadas por el hombre, o en conflictos militares, el entorno no determinista adquiere especial importancia, ya que junto a las condiciones externas extremas, existe un alto grado de incertidumbre no sólo de los parámetros del propio entorno, sino también de las operaciones a realizar. La resistencia de los robots a las condiciones ambientales agresivas está garantizada principalmente por soluciones técnicas y de ingeniería. Al mismo tiempo, la capacidad de los robots para responder adecuada y oportunamente a los cambios imprevistos de los parámetros ecológicos depende principalmente de la estrategia de control elegida, así como del nivel de inteligencia del robot. Estos robots deben estar equipados con una potente máquina de computación a bordo, un amplio suministro de recursos energéticos a bordo y, a menudo, un conjunto importante de órganos de trabajo. Tal "acaparamiento" conduce a un aumento de las dimensiones y el peso de un robot, que, a su vez, limita significativamente el posible ámbito de aplicación. Al mismo tiempo, entre las diversas tareas que resuelve la robótica extrema, hay varias para las que es deseable, y a veces necesario, un robot de pequeño tamaño. Entre ellas se encuentran la vigilancia de territorios y zonas acuáticas en condiciones de resistencia enemiga organizada, la búsqueda de víctimas entre los escombros tras catástrofes naturales o provocadas por el hombre, la búsqueda y neutralización de artefactos explosivos en operaciones antiterroristas en asentamientos urbanos densos, y la exploración de la superficie de otros planetas, etc. Para resolver estas tareas se necesitan microrobots de dimensiones y masa reducidas, que permitan moverse libremente por pasillos estrechos, pasando desapercibidos para los radares enemigos. Tales robots se caracterizan por un menor coste de transporte del complejo robótico al lugar de trabajo. Sin embargo, el pequeño tamaño de los microrobots impone algunas limitaciones:

  • Es difícil moverse en un espacio no preparado porque las protuberancias y depresiones relativamente pequeñas pueden dificultar el movimiento del microrobot,
  • La tarea de mover cuerpos grandes (por ejemplo, víctimas de terremotos o muestras de rocas) con la ayuda de un microrobot es difícil. Las pequeñas dimensiones de un micro-robot también imponen varias limitaciones indirectas:
  • La pequeña reserva de energía a bordo del micro-robot,
  • el tamaño pequeño y el consumo de energía de los medios de comunicación conducen a limitaciones del radio máximo de comunicación por radio,
  • la cantidad de herramientas de trabajo disponibles para el robot es significativamente limitada. Todas las limitaciones anteriores se aplican a un solo microrobot. Por tanto, una solución obvia a estos problemas podría ser utilizar un grupo de micro-robots capaces de combinar esfuerzos para resolver tareas complejas. Los micro-robots pueden ayudarse mutuamente a superar obstáculos y llevar a cabo conjuntamente el transporte de un cuerpo grande. El intercambio de información en un grupo de robots permite ampliar la información sobre el entorno disponible para cada robot. Al mismo tiempo, algunas tareas pueden distribuirse entre micro-robots y realizarse en paralelo. Por ejemplo, mientras algunos robots de un grupo recopilan datos ambientales, otros recopilan muestras de suelo. Además, la aplicación grupal de micro-robots ayuda a reducir el riesgo de falla de la tarea porque el daño de uno o varios micro-robots grupales en el caso general (principalmente en estrategias de control colectivo y enjambre) no conduce a la falla de la tarea. Sin embargo, reduce la eficiencia del grupo. Al mismo tiempo, el daño a las unidades individuales de un solo robot puede interrumpir el trabajo que realiza y los intentos de duplicar las unidades funcionales más básicas del robot conducen a un aumento en la masa, las dimensiones y el costo del robot, pero no lo hacen. aumentar la eficiencia del trabajo (incluso reducirlo, dado el gran tamaño y grupo).

Estrategias para administrar un grupo de micro-robots

La eficacia de los grupos de microrobots depende principalmente de la estrategia de control elegida. Se diferencia entre estrategias de control centralizadas y descentralizadas. En las estrategias de control centralizado, algún dispositivo de control central tiene acceso a la información sobre el estado de todos los robots del grupo y del entorno. El dispositivo de control evalúa la situación actual y toma decisiones sobre las acciones de los robots del grupo. El dispositivo de control central puede estar situado fuera del grupo (por ejemplo, en el panel de control del operador) o a bordo de uno de los robots del grupo. En este último caso, se habla de control centralizado "con un maestro" Las estrategias de control centralizado dan buenos resultados cuando el número de robots del grupo es pequeño. A medida que aumenta el tamaño del grupo, aumenta la carga del canal de comunicación y los medios de cálculo del dispositivo de control. Una solución es utilizar estrategias de control jerárquico en las que un grupo de robots se divide en subgrupos, cada uno con su líder (normalmente de entre los robots del grupo), y los líderes de los subgrupos son controlados por un dispositivo de control central situado a bordo de uno de los robots o, más a menudo, fuera del grupo. Las estrategias de control jerárquico complican la naturaleza de las comunicaciones entre los robots del grupo, lo que plantea graves exigencias a los equipos de comunicación de a bordo. Las interferencias en el canal de comunicación son muy perjudiciales para el grupo que funciona con estrategias de control centralizado. Además, el fallo de un robot que controla un grupo o un subgrupo conlleva graves problemas: se pierde la comunicación con todos los robots bajo su control. Las estrategias de control descentralizado de grupos de robots incluyen estrategias de control colectivo, de enjambre y de enjambre. En una estrategia de control colectivo, cada robot de un grupo recibe información de todos los demás robots del grupo y transmite la información que ha recogido sobre el entorno y su estado al canal de comunicación para que esta información esté disponible para todos los demás robots del grupo. Así, el intercambio de información en un grupo de robots bajo control colectivo se lleva a cabo según el principio de "cada uno a todos". Gracias a ello, cada robot puede evaluar de forma independiente la situación actual y decidir las acciones posteriores necesarias. Las estrategias de control colectivo permiten al grupo mantener la operatividad en caso de fallo de uno o varios robots del grupo. La carga del canal de comunicación aumenta en proporción directa al número de robots del grupo. También aumenta la limitación de los dispositivos informáticos a bordo de los robots, ya que tienen que procesar la información recibida. Aunque el límite superior del tamaño de grupo admisible en los métodos de control colectivo es, por término medio, mayor que en los métodos centralizados, la "escalabilidad" de estos métodos deja mucho que desear. En las estrategias de control de enjambres, no hay un canal de comunicación dedicado para el intercambio de información entre los robots; cada robot recoge información sobre el entorno de forma independiente y decide de forma autónoma sus acciones posteriores para contribuir a la tarea del grupo. La ausencia de comunicación entre los robots de un grupo en las estrategias de control de enjambre permite resolver con éxito sólo aquellas tareas que pueden ser fácilmente paralelas en subtareas independientes no relacionadas. La principal ventaja de las estrategias de control de enjambres es la escalabilidad: la complejidad computacional de las tareas de control no aumenta con el incremento del tamaño del grupo de robots, lo que permite que las estrategias de enjambres controlen enormes grupos de microrobots. Los métodos de la inteligencia de enjambre, ya utilizados para resolver muchos problemas prácticos, pueden aplicarse para controlar grandes grupos de robots, lo que llevó a la aparición de una dirección independiente, la llamada robótica de enjambre. Cada robot del grupo se comunica sólo con algunos robots vecinos que se encuentran dentro del rango de visibilidad limitado por el alcance de sus dispositivos de telecomunicación (o limitado artificialmente). Cada robot toma su propia decisión sobre las acciones posteriores basándose en reglas locales sencillas. El robot tiene acceso a la información sobre el entorno que recoge por sí mismo, así como a la información sobre el entorno y el estado de algunos robots del grupo que le han transmitido los robots vecinos. El robot transmite los datos recogidos sobre el entorno y su forma al canal de comunicación. Esta información pasa a estar disponible para aquellos robots en cuya línea de visión entra este robot (en el caso de un mismo radio de visión, son los mismos robots vecinos). Este enfoque proporciona a los robots más información sobre su entorno que en las estrategias de control de enjambre. La información disponible se refiere al área que les rodea, es decir, es la más relevante. Al mismo tiempo, se mantiene la escalabilidad: el aumento del tamaño del grupo no incrementa la carga de los dispositivos informáticos de a bordo. Así pues, los métodos de inteligencia de enjambre ofrecen excelentes oportunidades para desarrollar microrobots de aplicación masiva, permitiendo el uso exitoso de grandes grupos de microrobots. Sin embargo, los logros de la robótica de enjambre se limitan a unos pocos proyectos experimentales; todavía son casi infrecuentes en la práctica.

Obstáculos en el desarrollo de aplicaciones de grupos de microrobots

Uno de los obstáculos aparentes para el desarrollo de la robótica de enjambre es que múltiples grupos de microrobots deben servir como objetos de control, lo que a su vez implica una producción en masa de microrobots relativamente barata. Los avances en microelectrónica, mecatrónica y nanotecnología sugieren que la producción en masa de microrobots será posible y económicamente viable en breve.

El segundo obstáculo es la falta de teoría y enfoques generales para crear y desarrollar métodos de control de enjambres en grupos de robots. Hasta la fecha, gran parte de la investigación se ha centrado en el uso de análogos naturales de los métodos de inteligencia de enjambre para resolver problemas técnicos: las hormigas, las abejas, las bandadas de pájaros y los bancos de peces, así como los sistemas inmunitarios, han servido como prototipos de diversos métodos de inteligencia de enjambre.

Las diferencias en las tareas y capacidades de los sistemas naturales y técnicos hacen que sea un reto encontrar y adaptar algoritmos naturales para resolver problemas técnicos. Hay varios tipos de investigación que se dedican a crear métodos artificiales de inteligencia de enjambre, inicialmente destinados a resolver problemas prácticos. Por desgracia, la falta de un enfoque unificado complica estos estudios. De hecho, cada nuevo problema se resuelve casi "desde cero" cada vez. Se espera que el uso de un sistema adecuado para resolver varias tareas simplifique significativamente la tarea de organizar la interacción de los enjambres en grupos de microrobots de aplicación masiva.

Pequeños robots, importantes perspectivas


Los objetos de nivel micro se rigen por fuerzas y leyes muy diferentes a las del nivel macro, por lo que la investigación básica de estos fenómenos parece inevitable. Un reto importante en el uso de microrobots móviles es conseguir un comportamiento predecible del robot y su controlabilidad, incluido el comportamiento de enjambre. Además, los microrobots utilizados para observaciones con aplicaciones tanto militares como civiles necesitan fuentes de energía fiables y a largo plazo. Estas aplicaciones también implican retos importantes para el diseño de micro-robots, dependiendo del entorno de aplicación de los micro-robots voladores, reptantes o flotantes. La comunicación en los enjambres de micro-robots es también un gran reto en esta aplicación. Una cosa está clara: aunque muchos proyectos e ideas de microrobots están todavía en pañales, esta industria está preparada para un enorme crecimiento porque las oportunidades son abundantes. Según Energias Market Research, la tasa de crecimiento anual compuesta acumulada del mercado mundial de los microrobots hasta 2024 será del 65%, a medida que diversas industrias encuentren aplicaciones para estas tecnologías.