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Remember the “dancing pencils” trick from school, where two pencils pass through a rubber band, get twisted, and then leap apart when released? Researchers at UCLA and the University of Michigan have turned a version of that stored-tension idea into a frog-like robot that hops over grass, sand and small steps. Its limbs are not pushed slowly by a motor. They are loaded with energy and then let go in a single snap.
¿Recuerdan el truco de los «lápices bailarines» de la escuela, en el que dos lápices atraviesan una goma elástica, se retuercen y luego salen disparados al soltarlos? Investigadores de la UCLA y de la Universidad de Míchigan han convertido una versión de esa idea de tensión almacenada en un robot con forma de rana que salta sobre hierba, arena y pequeños escalones. Sus patas no son empujadas lentamente por un motor. Se cargan de energía y luego se liberan en un único chasquido.
For a machine this small, the obstacles are everyday things. Grass, uneven ground, tiny puddles and loose objects can each stop a robot barely taller than they are. A jump gets it over them, but it needs a strong push delivered very quickly, and the small motors that power tiny robots deliver steady, continuous motion, not bursts. Springs can bridge that gap: a motor loads them slowly, then they release the energy at once. Snapping beams have also been tried, but in a three-dimensional structure they can flip violently or bend gradually, depending on their shape and how they are loaded.
Para una máquina tan pequeña, los obstáculos son cosas cotidianas. La hierba, el terreno irregular, los charcos diminutos y los objetos sueltos pueden detener a un robot apenas más alto que ellos. Un salto permite superarlos, pero requiere un empuje fuerte y muy rápido, y los pequeños motores que mueven los robots diminutos ofrecen un movimiento constante y continuo, no ráfagas. Los muelles pueden salvar esa distancia: un motor los carga despacio y después liberan la energía de golpe. También se han probado vigas que chasquean, pero en una estructura tridimensional pueden invertirse violentamente o doblarse de forma gradual, según su forma y la manera en que se cargan.
The team's approach was to find out exactly what separates a sharp snap from a slow bend. They first used computer models to predict how elastic rods respond to combinations of bending and twisting, then used a robotic arm to test those predictions on physical rods. This mapped the conditions that produce a clean snap, and the robot's limbs were designed from that map. Each limb is a straight rod bent into a helix, fixed at one end and turned at the other by a small servo motor. Once the rod's current shape becomes unstable, it flips into another configuration, pushing against the ground. The motor then resets the limb, much of it while the robot is in the air. The team also had to balance force against recovery: some shapes released more energy but needed larger motor rotations between jumps, and the chosen design gives a strong push and a quick enough reset for repeated hops.
El planteamiento del equipo fue averiguar exactamente qué separa un chasquido brusco de una flexión lenta. Primero utilizaron modelos informáticos para predecir cómo responden las varillas elásticas a combinaciones de flexión y torsión, y después emplearon un brazo robótico para poner a prueba esas predicciones sobre varillas físicas. Así cartografiaron las condiciones que producen un chasquido limpio, y las patas del robot se diseñaron a partir de ese mapa. Cada pata es una varilla recta doblada en hélice, fijada por un extremo y girada por el otro mediante un pequeño servomotor. Una vez que la forma actual de la varilla se vuelve inestable, cambia a otra configuración y empuja contra el suelo. Después, el motor vuelve a preparar la pata, en buena parte mientras el robot está en el aire. El equipo también tuvo que equilibrar fuerza y recuperación: algunas formas liberaban más energía pero necesitaban giros del motor más amplios entre saltos, y el diseño elegido ofrece un empuje fuerte y una recuperación lo bastante rápida para saltos repetidos.
In the study published in Science Advances, the team built an 11 cm (4.3 in), 98.2 g (3.5 oz) robot with two snapping rear limbs and compared it with an identical-power version fitted with rigid legs. The snapping robot was faster on every surface, reaching 3.21 body lengths per second on wood and averaging 2.46 body lengths per second across all six surfaces, against 0.79 for the rigid-legged version. The gap was widest on cloth and grass, where the rigid-legged robot nearly stalled. The prototype also climbed small steps, did repeated backflips, and, with thin flexible fins, swam at about half a body length per second and steered around obstacles, including in wind. For now it remains a research prototype: its steering was shown with remote guidance through a sandbox of rocks and with light sensors, and the team has measured its speed only against its own rigid-legged twin.
En el estudio publicado en Science Advances, el equipo construyó un robot de 11 cm (4,3 in) y 98,2 g (3,5 oz) con dos patas traseras que chasquean, y lo comparó con una versión de igual potencia equipada con patas rígidas. El robot de chasquido fue más rápido en todas las superficies, alcanzando 3,21 longitudes corporales por segundo sobre madera y un promedio de 2,46 longitudes corporales por segundo en las seis superficies, frente a 0,79 de la versión de patas rígidas. La diferencia fue mayor sobre tela y hierba, donde el robot de patas rígidas casi se paraba. El prototipo también subió pequeños escalones, realizó volteretas hacia atrás repetidas y, con aletas finas y flexibles, nadó a unas media longitud corporal por segundo y sorteó obstáculos, incluso con viento. Por ahora sigue siendo un prototipo de investigación: su dirección se mostró con control remoto a través de un arenero con rocas y con sensores de luz, y el equipo solo ha medido su velocidad frente a su propio gemelo de patas rígidas.
For inspection teams and search-and-rescue crews working in debris-heavy sites, a robot that leaps over rubble rather than getting stuck could matter, and one that can also paddle through water with the same limbs widens where it can go. The researchers see a second benefit beyond navigation: the mechanics do part of the work that would otherwise need a larger motor or more complex control. Huang, one of the researchers, suggests the idea could fit a fast-closing robotic gripper. Those uses are not yet demonstrated, and they depend on the robot first proving itself against other small robots, which the study has not yet done.
Para los equipos de inspección y los grupos de búsqueda y rescate que trabajan en lugares llenos de escombros, un robot que salta sobre los cascotes en lugar de quedarse atascado podría ser muy útil, y que además pueda avanzar por el agua con las mismas patas amplía sus posibilidades de acceso. Los investigadores ven un segundo beneficio más allá de la navegación: la mecánica hace parte del trabajo que, de otro modo, requeriría un motor más grande o un control más complejo. Huang, uno de los investigadores, sugiere que la idea podría adaptarse a una pinza robótica de cierre rápido. Esos usos todavía no se han demostrado, y dependen de que el robot demuestre primero su valía frente a otros robots pequeños, algo que el estudio aún no ha hecho.