Simulación, fabricación y comparación de Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería actuadores neumáticos soft

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica Robótica y Mecatrónica Simulación, fabricación y comparación de actuadores neumáticos soft Autor: Guillermo Canterla Casas Tutora: Begoña C. Arrue Ulles Dpto. Ingeniería en Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, septiembre de 2024 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica Robótica y Mecatrónica Simulación, fabricación y comparación de actuadores neumáticos soft Autor: Guillermo Canterla Casas Tutora: Begoña C. Arrue Ulles Profesora Titular Dpto. Ingeniería en Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, septiembre de 2024 Trabajo Fin de Grado: Simulación, fabricación y comparación de actuadores neumáticos soft Autor: Guillermo Canterla Casas Tutora: Begoña C. Arrue Ulles El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos E n primer lugar, me gustaría agradecer a mi tutora Begoña por darme la oportunidad de realizar este proyecto, así como a Alberto y Alejandro por guiarme y ayudarme a lo largo de él. Estas trabajo cierra una etapa importante de mi vida, por lo que quisiera expresar mi gratitud a todos los profesores que han sido parte de ella, por formarme, transmitirme su conocimiento y mostrarme la belleza de una carrera que, desde fuera, quizá no parece tan atractiva. Durante estos cuatro años, además de estudiar, he conocido a personas maravillosas que me han acompañado en los buenos momentos y me han ayudado a sobrellevar las malas épocas que implica una ingeniería. A todos ellos, muchas gracias. Gracias a todos los que me han apoyado y ayudado, especialmente a los amigos que me llevo de esta etapa. Quiero también dar las gracias a mi familia por estar siempre ahí, por entenderme, motivarme a seguir y ser mi mayor apoyo. Muchas gracias a mis padres, a mis abuelos y a mi hermano, porque sé que están orgullosos de todo lo que estoy logrando y así me lo hacen saber día a día. Por último, gracias a mi tía Pepa. Aunque no esté aquí para verme, sé que estaría orgullosa de saber que mis esfuerzos han valido la pena. Guillermo Canterla Casas Estudiante del Grado en Ingeniería Electrónica Robótica y Mecatrónica Sevilla, 2024 I Resumen E ste Trabajo de Fin de Grado se centra en la comparación de las diferentes ramas de la robótica blanda, así como en el diseño, desarrollo y evaluación de varios grippers compuestos por actuadores neumáticos blandos. A lo largo del documento, se presentarán y analizarán distintos diseños creados para este propósito. Además, se abordará la simulación de los actuadores utilizando el software ANSYS, lo que permitirá analizar su comportamiento y optimizar sus características antes de su fabricación. También será crucial la creación de los moldes necesarios para la producción de los actuadores en condiciones reales, detallando los procesos y materiales empleados. Se incluirá, asimismo, una revisión de los métodos actuales utilizados para modelar materiales hiperelásticos, esenciales en el desarrollo de actuadores neumáticos eficientes. Este apartado se centrará especialmente en la simulación mediante elementos finitos y en los ejemplos existentes en la literatura actual. Finalmente, se procederá a verificar las hipótesis planteadas mediante una serie de experimentos diseñados para evaluar la eficacia de los distintos grippers. Se analizarán los resultados obtenidos y se discutirá la validez de las hipótesis iniciales, proporcionando conclusiones y posibles direcciones futuras para la investigación en el campo de la robótica blanda. III 2Capítulo 1. Introducción (a) Hermanos Capek [4]. (b) R. U. R. (Robots Universales Rossum) [1]. Figura 1.1 Orígenes de la palabra robot. En la novela de Capek se describe al robot como una máquina capaz de realizar tareas sin descanso, sustituyendo así al ser humano [ 2 ]. A pesar de ser creado en un principio con el fin de ayudar a la humanidad, más adelante estas máquinas entrarán en confrontación con la sociedad iniciando una revolución que acabará destruyéndola [5]. Pese a que los hermanos Capek introdujeron el término robot en el lenguaje moderno, fue Isaac Asimov el responsable de la popularización de la palabra robótica, gracias a un conjunto de cuentos escritos entre 1938 y 1942 [ 6 ], entre los que destaca "Círculo Vicioso" [ 7 ], más conocido por su nombre en inglés "Runaround", donde se introdujeron las "tres leyes de la robótica". 1. Primera Ley: Un robot no puede dañar a un ser humano ni, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño. 2. Segunda Ley: Un robot debe obedecer las órdenes que le dan los seres humanos, excepto cuando dichas órdenes entren en conflicto con la Primera Ley. 3. Tercera Ley: un robot debe proteger su propia existencia siempre que dicha protección no entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley [8, 9]. Pese a que el concepto moderno de robótica se consolidó en el siglo XX, es importante reconocer que miles de años atrás ya existían inventos que podrían ser considerados como antecedentes de esta disciplina. Los antiguos egipcios construyeron automatismos muy sofisticados como por ejemplo el reloj de agua, a parte de desarrollar modelos matemáticos muy avanzados [ 10 ]. Existen referencias a King-su Tse, China clásica, que inventó un autómata en el 500 a. C. En la antigua Grecia, Arquitas de Tarento considerado el padre de la ingeniería mecánica y precursor occidental de la robótica, inventó el tornillo y la polea, entre otros muchos dispositivos. Fabricó el primer cohete autopropulsado de la historia, que usó con fines militares. Hacia el año 400 a. C. construyó un autómata consistente en una paloma de madera que rotaba por si sola gracias a un surtidor de agua o vapor y simulaba el vuelo [11]. En 1495 d.C., Leonardo da Vinci diseñó un maniquí mecanizado en forma de un caballero armado. Este robot conocido como "caballero mecánico" [ 12 ] se convirtió en el modelo a partir del cual se construyeron numerosos maniquíes que realizaban actuaciones como forma de entretenimiento en el Renacimiento. Este invento sirvió como inspiración a Gianello Turriano, quien construyó en 1540 una muñeca que tocaba la mandolina [ 13 ]. En 1772 «El Escritor» de Jaquet Droz fue el primer autómata que contaba con una rueda programable integrada que permitía al usuario escribir lo que quisiera utilizando una pluma. Al fijar esta rueda a una pluma "El Escritor" era capaz de escribir frases completas, espaciando entre palabras y líneas, e incluso colocaba puntos después de las oraciones. Esta fue la primera vez en la historia que se utilizó una rueda programable dentro de una carcasa de androide para replicar una tarea previamente realizada solo por humanos [14]. 1.2 Estado del arte 3 En 1801, Joseph Jacquard construyó un telar automatizado, que fue el primer uso de maquinaria programable en la industria. Se utilizó un sistema de tarjetas perforadas para ingresar comandos, similar a las tarjetas perforadas utilizadas para la programación de computadoras en los años 1960 y 1970. En 1898, Nikola Tesla demostró la capacidad de controlar dispositivos a distancia cuando exhibió un barco radiocontrolado en el Madison Square Garden de la ciudad de Nueva York [15]. (a) Paloma de Arquitas de Tarento [11]. (b) Caballero mecánico de Da Vinci [12]. (c) «El Escritor» de Jaquet Droz [14]. (d) Teleautomaton de Nikola Tesla [15]. Figura 1.2 Antecesores de la robótica. Aunque todos los eventos mencionados anteriormente fueron fundamentales para establecer las bases de la robótica, su crecimiento no experimentó un "boom" significativo hasta la segunda mitad del siglo XX, especialmente impulsado por los avances en tecnología informática y electrónica. Durante estos años y más concretamente tras la Segunda Guerra mundial, fue cuando se empezó a extender de forma significativa en todos los sectores industriales [ 16 ]. Hitos clave que contribuyeron a la popularización y desarrollo de la robótica incluyen la creación del primer robot industrial por parte de George Devol, conocido como Unimate [ 17 ], que fue utilizado por primera vez en la línea de ensamblaje de General Motors en 1961 [ 18 ]. La participación de empresas como Kiva Systems [ 19 ], pionera en robótica de almacenes y logística, así como Sony y Hasbro, que introdujeron los famosos robots AIBO [20] y Furby [19] respectivamente. Otros factores importantes para la difusión y arraigo de la robótica en la cultura popular fueron los eventos culturales, destacando películas de ciencia ficción como "Star Wars" (George Lucas, 1977) [ 21 ], junto con otras que presentaron personajes memorables, como los replicantes de "Blade Runner" (Ridley Scott, 1982) o el ciborg T-800 protagonista en "The Terminator" (James Cameron, 1984) [22]. Una vez que se ha examinado la robótica desde una perspectiva histórica, procederemos a centrar nuestra atención hacia una de sus ramas más novedosas y prometedoras: la robótica soft; siendo estas áreas fundamentales para el desarrollo de este trabajo. 4Capítulo 1. Introducción (a) "Star Wars" (George Lucas, 1977) [21]. (b) "Blade Runner" (Ridley Scott, 1982). (c) "The Terminator" (James Cameron, 1984) [22]. Figura 1.3 Películas de ciencia ficción que ayudaron a popularizar el concepto de robot. 1.2.1 Robótica soft Tradicionalmente, los robots han sido ensamblados a partir de piezas y estructuras con cierta dureza y rigidez, dotándolos de una gran capacidad de carga y una locomoción precisa [ 23 ]. Pese a que estos materiales duros como metal y plástico permiten a los robots realizar tareas que son difíciles para los humanos, como por ejemplo transportar objetos pesados, también limita su adaptabilidad. En la naturaleza, los animales y las plantas están mayormente compuestos de materiales blandos, lo que les otorga una alta flexibilidad y les permite realizar una gran variedad de acciones. Tomando como ejemplo a estos, surge una de las ramas más prometedoras de la robótica, denominada Soft Robotics o Robótica Blanda. Los robots soft suelen estar compuestos de materiales blandos sensibles a estímulos, lo que les proporciona una buena adaptabilidad, flexibilidad y capacidad de respuesta; permitiéndoles lograr así grandes deformaciones [24]. Actualmente, los sistemas robóticos están interactuando más estrechamente con los seres humanos, por lo que los robots rígidos han sido reconocidos como inadecuados para aplicaciones más delicadas debido a su estructura rígida y voluminosa, baja adaptabilidad ambiental y escasa seguridad. Para solventar este problema, se está haciendo uso de la robótica soft, ya que pueden ajustarse fácilmente a cambios ambientales, llevar a cabo tareas complejas y lograr la compatibilidad humano-máquina. En particular, los actuadores flexibles ofrecen una capacidad de actuación importante y abren nuevas posibilidades para aplicaciones portátiles suaves, creando así herramientas quirúrgicas o de administración de medicamentos inteligentes, impulsando la rehabilitación y asistencia de miembros, diseñando de manera inteligente prendas de vestir deformables, y permitiendo interacciones suaves entre humanos y máquinas [25]. Los materiales y actuadores blandos permiten aplicaciones que no son posibles utilizando robots y actuadores rígidos tradicionales. Gracias a su flexibilidad y capacidad de adaptación, los actuadores blandos pueden adaptarse a entornos complejos y dinámicos, lo que los hace excepcionalmente ventajosos para la interacción física con objetos frágiles u organismos vivos. Sin embargo, a pesar de los grandes avances en el campo de la robótica blanda, tanto la replicación del rendimiento de los actuadores biológicos como la implementación de robots blandos en aplicaciones industriales siguen siendo un desafío debido a la alta complejidad de los actuadores biológicos [26]. Los actuadores son una de las tecnologías fundamentales que permiten producir movimiento en muchas aplicaciones industriales, incluyendo la robótica, los automóviles, instalaciones militares y productos de consumo. Tradicionalmente, se han utilizado tecnologías neumáticas, hidráulicas y electromagnéticas para este fin. Estas tecnologías de actuadores tradicionales exhiben una buena eficiencia energética pero baja densidad de trabajo y potencia, ya que están hechas con materiales duros y pesados. Sin embargo, las tecnologías modernas evolucionan con el lema de "más pequeño, más ligero, más rápido y más suave". Esto se debe a que los robots más pequeños y ligeros consumen menos energía al reducir el peso y pueden moverse más rápido. Los robots más suaves, compuestos de materiales flexibles similares a los que se encuentran en 1.2 Estado del arte 5 los organismos vivos, permiten adicionalmente una mayor flexibilidad y adaptabilidad para realizar tareas, así como una mayor seguridad [27]. Para poder distinguir entre materiales soft y materiales rígidos, se puede hacer uso del módulo de Young ya que es una medida útil de la rigidez de los materiales utilizados en la fabricación de sistemas robóticos. Los materiales convencionalmente utilizados en este campo (por ejemplo, metales o plásticos duros) tienen módulos del orden de 109 a 1012 pascales, mientras que los organismos naturales a menudo están compuestos de materiales (por ejemplo, piel o tejido muscular) con módulos del orden de 104 a 109 Pa (órdenes de magnitud más bajos que sus contrapartes fabricadas [28]. Figura 1.4 Módulo de Young de distintos materiales usados en ingeniería y biología [28]. A continuación, para diferenciar los distintos tipos de actuadores blandos (soft actuators) que se encuentran en la literatura, se realizará una clasificación basada en el estímulo que genera su actuación: 1. Actuadores eléctricos: Entre los actuadores soft, los actuadores eléctricos han sido los más investigados, debido a su superior controlabilidad y mayor eficiencia en la conversión de energía. Sin embargo, generalmente se requiere un voltaje alto (de hasta 1 kV) o una temperatura de estimulación elevada para la actuación de materiales inorgánicos [ 25 ]. Los polímeros electroactivos (EAPs) parecen ser materiales óptimos para este tipo ed actuadores, ya que son inherentemente ligeros, altamente flexibles y tienen una alta tolerancia a la fractura. La deformación de los EAPs por estimulación eléctrica se puede dividir en dos categorías: electrónicos (DEA) ó iónicos (IPMC), según el mecanismo de estimulación. Los EAP electrónicos son actuados por la fuerza de Coulomb o un campo eléctrico, mientras que, para los EAPs iónicos, la actuación se debe al transporte o difusión de iones [25]. •Actuadores basados en elastómeros dieléctricos (DEA): El funcionamiento de los actuadores de elastómero dieléctrico (DEAs) se basa en la atracción coulombiana entre dos electrodos flexibles con una diferencia de potencial que se encuentran en extremos separados de una membrana compresible. Los DEAs son muy flexibles, muestran una alta densidad de energía, grandes deformaciones, exhiben características de detección automática, tienen modelos de simulación precisos y se ha demostrado que son tan útiles como los músculos biológicos. Además, el rendimiento de los DEAs depende de la estabilidad, el voltaje de ruptura y la constante dieléctrica del elastómero [ 29 ]. Sin embargo, las desventajas de los DEAs incluyen los altos voltajes requeridos para operarlos (en kV) y las corrientes de fuga, ambos contribuyendo a un mayor riesgo de falla eléctrica [30]. Debido a la necesidad de reducir las emisiones de CO2, es crucial desarrollar sistemas de generación de energía descentralizado y eficiente. Los transductores de elastómero dieléctrico (DE) han captado la atención del mercado debido a su ligereza, bajo costo y eficiencia. Además al no emitir CO2, son óptimos para integrarse en diversos sistemas de generación de energía renovable. Por otra parte, los actuadores DE son altamente eficientes y pueden ser utilizados para impulsar vehículos ligeros y potentes [ 29 ]. Actualmente, es posible levantar un peso de 8 kg utilizando solo 0.15 g de elastómero dieléctrico, logrando una velocidad de 88 ms por 1 mm o más [31]. Con esta tecnología se han logrado crear robots blandos que se arrastran, capaces de viajar a una velocidad superior a 1 longitud corporal por segundo y con un tiempo de fabricación muy bajo [ 32 ]. En cuanto a la robótica submarina también existen aplicaciones, como la creación de un robot medusa formado por una campana, una cámara de aire y una membrana de un elastómero dieléctrico [ 33 ]. También encontramos actuadores para otras muchas aplicaciones como manos de robots blando, robots de locomoción, dispositivos portátiles y componentes ópticos ajustables [ 34 ]. En otro estudio se muestra 6Capítulo 1. Introducción como al incorporar unas cuantas fibras rígidas en vigas de elastómero dieléctrico actuadas por voltaje, se consiguen acciones de agarre. También se ha encontrado que al añadir unas pocas fibras, o incluso una sola, se consigue romper la simetría de la deformación inducida por el campo eléctrico permitiendo además predeterminar la dirección de los cambios de forma [ 35 ]. Por otra parte, este tipo de actuadores tienen un futuro muy prometedor en medicina. Según un artículo de Stefania Konstantinidi et al. se podrían usar para la restauración del movimiento facial, evitando así el procedimiento tradicional de transferencia muscular libre en dos etapas, permitiendo así una recuperación más rápida [36]. (a) Esquema del robot medusa [ 33 ]. (b) DEA de alta velocidad [32]. (c) Actuador hecho de elastómero con algunas fibras verticales [35]. Figura 1.5 Actuadores basados en elastómeros dieléctricos (DEA). •Actuadores compuestos de polímero iónico-metal (IPMC): Los IPMC son materiales compuestos formados al encapsular una membrana de intercambio iónico (IEM) entre dos capas de electrodos (generalmente Pt y Au [ 25 ]) recubiertos químicamente. Cuando circula corriente a través de los electrodos y la IEM, el material se deforma debido a la hinchazón causada por una saturación desigual de las moléculas de electrólito dentro de la IEM. Las moléculas del electrólito, más comúnmente agua, son atraídas hacia el lado catiónico del IPMC, lo que causa una expansión hidrofílica de la red polimérica cerca del cátodo y contracción cerca del ánodo. Como resultado, el material se dobla [37]. Aunque los EAP electrónicos suelen mostrar una alta salida mecánica y fuerza de actuación, su principal inconveniente es el alto voltaje de estimulación necesario, que no es adecuado para la vestibilidad. En comparación, aunque se necesitan electrolitos con iones móviles, los EAPs iónicos, que pueden ser estimulados a un voltaje bajo (de uno a varios voltios), han sido bien investigados para su uso potencial en aplicaciones vestibles, con composites de metal-polímero iónico (IPMCs), geles blandos y polímeros conductores (CPs) generalmente investigados [38]. Estos actuadores destacan por sus notables propiedades, como su bajo voltaje de operación, facilidad de miniaturización y funcionamiento silencioso. Sin embargo, se ven empañados por problemas relacionados con la repetibilidad en la producción y operación de estos materiales. Según Karl Kruusamäe et al. [ 38 ], la implementación de control en lazo cerrado emerge como una opción viable para superar estos obstáculos. Además, dado que estos materiales también actúan como sensores mecanoeléctricos, combinar las funciones de actuación y detección en un solo dispositivo resulta ventajoso para crear un actuador auto-sensible. No obstante, la cantidad de estudios que logran esta integración en un sistema auto-sensible sigue siendo relativamente baja en la actualidad, debido a problemas asociados con el ruido y a la novedad de este campo de estudio [38]. También existen otras técnicas y combinaciones de materiales que dan lugar a este tipo de actuadores, como el compuesto de polímero metálico iónico (IPMC) de cloruro de polivinilo sulfonado (SPVC) - ácido fosfotungstato (PTA), creado mediante el método de moldeo por solución seguido de reducción química de iones de platino (Pt) como electrodo presentado por .Mohammad Luqman et al. [ 39 ] ó los nanocompuestos de Nafion/nanotubos de carbono de paredes múltiples (M-CNT) estudiados por Kwang J. Kim et al. [ 40 ]. Se puede ver otro uso del Nafion en un artículo en el que se pretende proporcionar simultáneamente grandes deformaciones y respuestas rápidas. Para ello se ha creado un IPMC basado en Nafion con electrodos metálicos de alta calidad mediante un novedoso recubrimiento electrolítico asistido por isopropanol. Este IPCM es capaz de levantar objetos 20 veces más pesados e imitar movimientos biológicos como la apertura/cierre de pétalos y el aleteo de alta frecuencia de las alas gracias a su alta velocidad de movimiento de la punta de 224.2 mm/s [41]. 1.2 Estado del arte 7 Figura 1.6 Aleteo de ala biónica de alta frecuencia basado en Nafion IPMC bajo un voltaje de CA de 5 V a 19 Hz [41]. A parte de los EAPs mencionados anteriormente, encontramos que la piezoelectricidad, una propiedad de los materiales que permite producir voltaje o carga eléctrica mediante la aplicación de fuerzas mecánicas o vibratorias, e, inversamente, lograr una deformación mecánica al aplicar un campo eléctrico, puede tener aplicaciones interesantes en la fabricación de actuadores. Sin embargo, hasta la fecha, este tipo de materiales al igual que los DEA requieren voltajes altos que pueden limitar sus aplicaciones [ 30 ]. No obstante en la literatura encontramos diferentes usos y ejemplos para este tipo de actuadores como el micro gripper desarrollado por Bhaskar Ghosh et al. [42]. En un artículo de Tongil Park y YoungsuCha se muestra un robot móvil de patas blandas con un cuerpo principal piezoeléctrico bimorfo y patas piezoeléctricas pre-curvadas ideado para satisfacer la demanda de robots con patas y capacidades de exploración [43]. Por otra parte, encontramos una propuesta prometedora realizada por Jiangfeng Lu et al., quienes integran nanogeneradores triboeléctricos (TENGs) como una forma innovadora de recolección de energía en un robot blando piezoeléctrico [44]. Inspirados en el reino animal existen también distintos ejemplos, como el robot piezoeléctrico soft creado por Liwei Lin et al. el cual pretende imitar la solidez de las cucarachas. Este robot es capaz de resistir el peso de un adulto, que es aproximadamente 1 millón de veces más pesado que él y continuar moviéndose después [ 45 ]. También se ha desarrollado un micro-robot blando inspirado en el movimiento de los guepardos utilizando una estructura de doble espiral para lograr altas velocidades de movimiento y adaptabilidad ambiental [ 46 ], así como robots que permiten un movimiento similar al de una oruga [47]. Por último existen aplicaciones menos comunes, como la mejora del rendimiento de conducción de una vela mediante un actuador que utiliza un bimorfo piezoeléctrico en comparación con una sola lámina de poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF) [ 48 ], o la aplicación de un actuador piezoeléctrico en un sistema de retroalimentación háptica simplificado para cirugías mínimamente invasivas, lo que permite crear una experiencia táctil controlada mediante un dispositivo palpador [49]. (a) Locomoción de robot soft inspirado en oruga [47]. (b) Comparación de las trayectorias del centro de masa de una cucaracha y un prototipo de robot [45]. Figura 1.7 Ejemplos de actuadores soft piezoeléctricos. 8Capítulo 1. Introducción Figura 1.8 Comparación del movimiento de un guepardo frente al micro-robot blando [46]. 2. Actuadores magnéticos: La integración de elementos magnéticos en materiales soft ha dado lugar a la creación de actuadores con capacidades magnéticas variables. Estos actuadores permiten ajustar tanto la magnitud como la dirección de la magnetización. Al aplicar un campo magnético externo, las partículas magnéticas presentes en el material se alinean con dicho campo, lo que produce efectos como torque, deformación, contracción, elongación o flexión [25]. Las ventajas que este tipo de actuadores presenta frente a otros actuadores soft son las siguientes [37]: 1. Control remoto sin contacto que puede penetrar a través de una amplia gama de materiales y medios. 2. Manipulación precisa y rápida mediante el control de la dirección y la fuerza del campo magnético. 3. Mayor control habilitado al cambiar de manera independiente el campo magnético y sus gradientes. 4. Capacidad de generar campos de CA de alta frecuencia para aplicaciones como la hipertermia magnética. 5. Escalabilidad y control de actuadores en diferentes escalas, desde nanoescala hasta macroescala. Sin embargo, su inconveniente principal es que requieren un aparato externo complicado y voluminoso para controlar el campo magnético y sus gradientes de manera precisa. Otra desventaja es que, a medida que aumenta la distancia desde la fuente, la intensidad del campo magnético disminuye significativamente [30, 37, 50]. Gracias a esta tecnología, se ha desarrollado un actuador soft biestable impulsado por imanes (MSBA, por sus siglas en inglés) en el que el autoarqueamiento de la lámina circular de polidimetilsiloxano (PDMS) asegura la biestabilidad del actuador y le permite funcionar como una unidad independiente, sin restricciones externas. La reorientación de micropartículas de neodimio-hierro-boro (NdFeB) incrustadas en la lámina de PDMS permite que los actuadores con forma de domo exhiban un chasquido repetitivo bajo el estímulo de un campo magnético que cambia de dirección [51]. Figura 1.9 Ilustración esquemática del MSBA [ 51 ]. A) Mecanismo de actuación producido por el torque magnético. B) Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la membrana activa magnéticamente en diferentes zonas del MSBA. C) Aplicaciones. 1.2 Estado del arte 9 Otro tipo de actuadores magnéticos son los actuadores blandos integrados con imanes (MISA). Al aplicar un par de MISAs antagónicos a una articulación, es posible lograr ajuste de rigidez articular y adaptación de torque, siendo capaces de emular el estado de las articulaciones humanas cuando los músculos están tensos y relajados [52]. Pese a que la actuación magnética es bastante prometedora, todavía resulta difícil realizar ciertos movimientos así como su respectivo control. Una posible solución a este problema, se puede encontrar al explorar la capacidad de respuesta magneto-térmica y de las redes adaptables covalentes (CANs) en elastómeros líquidos cristalinos (LCEs), ya que permiten lograr diversos movimientos derivados de la contracción magneto-accionada que antes eran difíciles de alcanzar (por ejemplo, contracción bidireccional y patrones dinámicos en 3D) [53]. Figura 1.10 Funciones adicionales favorables a los actuadores magnéticos reprogramables [53]. Otro de los usos que se le puede dar a estos actuadores puede ser en robots blandos de magnetoelasticidad a escala milimétrica. Estos robots tienen la capacidad nadar dentro y en la superficie de líquidos, trepar meniscos líquidos, rodar y caminar sobre superficies sólidas, saltar obstáculos y desplazarse dentro de túneles estrechos, además de poder ejecutar tareas de recogida y liberación de carga [54]. Figura 1.11 Ejemplos de locomoción multimodal del robot en un entorno híbrido líquido-sólido [54]. Los actuadores magnéticos también pueden adoptar un enfoque sostenible, como se demuestra en un estudio de la Universidad de Queensland, donde se utilizan cuerdas elásticas de mascarillas desechables usadas para crear actuadores de hilo impregnado con nanopartículas magnéticas. Estos actuadores se pueden fabricar en diversas estructuras y ofrecen una solución prometedora para abordar la gestión de residuos generados por dispositivos blandos fuera de servicio [55]. Otro diseño novedoso es el de un robot octópodo soft, inspirado en un ciempiés, que se fabrica mezclando partículas magnéticas con polímeros de silicona, que luego se magnetizan mediante un campo magnético específico. Este robot aplicaciones prometedoras en el campo biomédico [56]. (a) Imagen del robot blando inspirado en el ciempiés. (b) Imágenes de las pruebas de locomoción del robot. Las flechas azules muestran las direcciones del campo magnético externo. Figura 1.12 Robot octópodo blando inspirado en la naturaleza e impulsado por campo magnético [56]. 10 Capítulo 1. Introducción 3. Actuadores basados en fluidos: La actuación mediante fluidos es uno de los métodos más comunes para los actuadores blandos, con alta eficiencia energética, gran fuerza de salida, un mecanismo simple y bajo costo. Funcionan controlando la presión del fluido dentro de un espacio sellado creado con materiales inflables y flexibles. Al cambiar el volumen de este espacio confinado, se puede lograr la expansión o contracción del actuador, permitiendo así su funcionamiento. Además, la rigidez de los materiales flexibles es el factor más importante para este tipo de actuación, ya que la expansión o contracción siempre ocurre primero donde la rigidez es mínima; de esta manera, se puede lograr agarre y locomoción entre otras funciones. Sin embargo, este método de actuación rara vez se utiliza en la actuación inalámbrica, ya que suele ir acompañado de equipos auxiliares pesados como bombas, válvulas y tubos voluminosos. Otra desventaja de esta actuación es que suele ser lenta y no muy precisa [23, 26]. Para poder prever el comportamiento de este tipo de actuadores ha sido necesario el uso de distintas herramientas como modelos analíticos y el análisis de elementos finitos, ya que permiten al usuario predecir el rendimiento y optimizar los diseños [ 57 ]. Por otro lado, las redes neuronales artificiales permiten una predicción precisa de los valores de presión a lo largo del actuador [58]. Dentro de este tipo de actuación encontramos dos grandes categorías, los actuadores neumáticos y los actuadores hidráulicos. Los actuadores neumáticos, también conocidos como actuadores de aire, son fuentes altamente eficientes y seguras para controlar el movimiento al transformar la energía en movimiento lineal o rotativo utilizando gas o aire presurizado. Son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren la apertura y cierre repetitivos de válvulas, en áreas de temperaturas extremas, o en aplicaciones industriales donde los actuadores eléctricos o magnéticos alternativos podrían causar interferencias o riesgos [30]. Dentro de la categoría de actuadores neumáticos, se pueden encontrar multitud de variantes, como es el caso de aquellos compuestos de materiales elastoméricos con canales integrados que funcionan como redes neumáticas (PneuNets). En un artículo a cerca de este tipo de actuador se muestra su posible uso como guante de rehabilitación para una mano a la vez que se hace uso de un modelo de elementos finitos para conocer la curvatura de flexión y la respuesta de fuerza del actuador [ 59 ]. Otro artículo sobre el mismo tema realizado por el Departamento de Química y Biología Química de la Universidad de Harvard muestra como esta tecnología es útil para crear estructuras que puede cambiar su curvatura de convexa a cóncava, así como dispositivos que actúan como agarres flexibles para manipular objetos frágiles (por ejemplo, un huevo de pollo crudo o un ratón vivo y anestesiado) sin dañar ninguno de ellos [60]. (a) Uso del guante neumático soft para agarrar varios objetos [59]. (b) Garra adaptable para manipular objetos frágiles [60]. Figura 1.13 Ejemplos de PneuNets. Para mejorar los diseños clásicos existentes en este campo encontramos diferentes alternativas, como la que se muestra en el siguiente artículo [ 61 ], en el que se habla a cerca de un actuador neumático blando de alta velocidad y alta carga, inspirado en una serpiente que almacena energía usando su configuración corporal ondulada unida a una capa inextensible. Otra mejora posible a los actuadores más clásicos la encontramos al añadir al actuador un adhesivo inspirado en geckos para mejorar las propiedades existentes de los grippers, logrando agarrar objetos grandes con agarres de alta resistencia [62]. 1.2 Estado del arte 11 (a) Actuador neumático tipo serpiente, cámara ondulada (verde), paso de aire (amarillo) y capa inextensible (azul) [61]. (b) Gripper inspirado en geckos, soportando una taza de 400 g con un giro de 20°aplicado en su base [62]. Figura 1.14 Ejemplos de actuadores innovadores. La mayoría de actuadores suelen centrarse en el agarre y manipulación de objetos por lo que sus diseños suelen tener forma de pinza o garra. No obstante existen muchos otros diseños novedosos como comentaremos a continuación. Con el objetivo de crear un actuador que permita una deformación de salida rápida incluso con una señal de entrada lenta, se ha creado unas cápsula esférica que exhiben un colapso isocórico cuando se presurizan en condiciones controladas de volumen. Gracias a esto se produce una liberación repentina de energía que consiguen que el actuador salte [63]. Inspirados en la morfogénesis de estructuras biológicas se han creado elastómeros de morfogénesis neumática, denominados como ’baromorfos’que permiten transformar láminas 2D en estructuras 3D complejas de forma reversible con una actuación rápida. En un futuro esta técnica podría ser muy útil en cirugía mínimamente invasiva [ 64 ]. En el trabajo presentado en [ 65 ], se encuentra otro enfoque interesante centrado en músculos artificiales inspirados en el origami. Se muestra como se logran movimientos multiaxiales, incluyendo contracción, flexión y torsión gracias a actuadores constituidos por un esqueleto compresible, una piel flexible y un medio fluido. La gran ventaja que ofrecen es un diseño rápido y de bajo coste así como la capacidad de accionamiento mediante presiones negativas. También se ha logrado crear un actuador rotativo blando que se basa en el movimiento peristáltico de materiales elastoméricos. Este actuador consta de un estator inflable emparejado con un rotor. La inflación y deflación sincronizadas de las vejigas llenas de aire en el estator permiten una velocidad de rotación controlable. Gracias a estos actuadores ha sido posible crear un vehículo de cuatro ruedas, que alcanza velocidades de 3.7 cm/s y demuestra una alta resistencia a impactos [66]. (a) Actuador que salta [63]. (b) Actuador con forma de mano inspirado en origami [65]. (c) Movimiento del vehículo sobre una superficie plana sin obstáculos [66]. Figura 1.15 Diseños novedosos de actuadores neumáticos. 18 Capítulo 1. Introducción Los actuadores fototérmicos, a diferencia de los fotoquímicos, son principalmente sensibles a la luz visible y NIR y suelen tener una estructura multicapa. Normalmente, se elige una capa foto-inerte con un coeficiente de expansión térmica más alto, como el polidimetilsiloxano (PDMS), mientras que la capa fototérmica, con un coeficiente de expansión térmica más bajo, como el grafeno o los nanotubos de carbono, se combina con el sustrato [85]. En este contexto, otra estrategia muy extendida consiste en emplear una pequeña cantidad de líquido de bajo punto de ebullición confinado dentro de una delgada bolsa plana. Este líquido puede ser calentado por un láser y evaporado para inflar todo el cuerpo del robot blando. La proyección láser, en este sentido, posibilita tanto el suministro de energía inalámbrica como la selección de los actuadores objetivo. Además, el líquido de bajo punto de ebullición funciona como fuente de actuación y como receptor de la irradiación láser. Este enfoque evita la necesidad de incorporar componentes adicionales como circuitos eléctricos y baterías, lo que simplifica y hace escalable la implementación de múltiples actuadores blandos. Asimismo, se ha demostrado que este método puede activar un grupo de robots blandos móviles de forma simultánea e individual, permitiendo además el seguimiento de las posiciones de los actuadores [88]. (a) Estructura y principio de un actuador blando de cambio de fase líquido a gas alimentado por láser. (b) Mano robótica moviéndose sin ningún cableado para formar un signo de V (izquierda), y para realizar un movimiento de recogida (derecha). Figura 1.27 Activación selectiva e inalámbrica de actuadores blandos mediante cambio de fase líquido a gas alimentado por láser [88]. Al continuar explorando la literatura existente, los autores Ming Gu y Tim K. Echtermeyer, describen en [ 89 ] la creación de actuadores bimorfos foto-térmicos empleando polidimetilsiloxano (PDMS), grafeno (G) y mica moscovita. Estos actuadores demuestran una eficiente conversión de la energía lumínica en desplazamiento y fuerza. Bajo la iluminación, logran un notable cambio de curvatura de 0.76 mm −1 a intensidades lumínicas moderadas de 150 mW/cm 2 , superando a la mayoría de los actuadores foto-térmicos previamente creados. Estas características, junto a su bajo coste y proceso de creación sencillo lo hace ideal para un futuro uso sostenible en la robótica biónica a pequeña escala. También se ha desarrollado una cinta adhesiva funcional independiente basada en polidisulfuros que contiene fragmentos de azobenceno fotosensibles (PDS-Azo) con la capacidad de fabricar actuadores blandos reconfigurables y ensamblables [ 90 ]. Por otra parte, en la Universidad Shanghai Jiao Tong se ha desarrollado con éxito un material fotosensible blando mediante el uso de plantillas de hielo y criopolimerización. Este material combina absorbentes de luz e hidrogeles termorresponsivos, lo que le permite operar de forma continua y duradera bajo una iluminación constante [91]. Otra de las ventajas de la actuación fototérmica radica en su capacidad de mejorar las cualidades de otros compuestos ya analizados en este escrito, como se puede ver en un artículo de la Universidad Tecnológica de Nanyang donde se utilizan nanopartículas de metal líquido incorporadas en un elastómero de carboxilpoliuretano para sensibilizar un actuador dieléctrico con capacidad de respuesta a los campos eléctricos y a la luz NIR. Gracias a esto, se logra tanto la resiliencia como un alto rendimiento de actuación [92]. 1.2 Estado del arte 19 Figura 1.28 Mejora de la zancada de un crawler, al aplicar luz NIR a parte de un campo eléctrico [92]. Por último, en un estudio de la universidad de Deakin se ha desarrollado un actuador de origami mediante impresión 3D, con un mecanismo de auto-plegado que puede responder rápidamente y de forma controlada a condiciones foto-térmicas. Este método podría ser usado en un futuro para aplicaciones biomédicas como la entrega de medicamentos [93]. 6. Actuadores térmicos: Los actuadores termorresistentes incluyen aquellos activados por infrarrojo (IR), NIR, radiación térmica y calentamiento Joule. La estimulación térmica también proporciona un disparador más seguro que la luz UV o el campo eléctrico para aplicaciones específicas como aplicaciones biomédicas, además de poder actuar de forma remota. Sin embargo, estos actuadores tienden a ser más lentos y menos eficientes que los actuadores que utilizan otros estímulos. El uso de películas más delgadas, mayor potencia y materiales que puedan absorber más calor aumentaría la eficiencia y el tiempo de respuesta [ 30 ]. A continuación, se analizarán los materiales mas utilizados que poseen estas características, como son los SMAs,SMPs yLCEs. Las Aleaciones de Memoria de Forma (SMAs por sus siglas en inglés) son una clase de material que puede ser deformado y retornar a su forma original "memorizada" bajo ciclos de carga/temperatura debido a su capacidad inherente de experimentar cambios reversibles en su estructura cristalina. Pueden ser creados mediante la aleación de una variedad de elementos, los cuales poseen ventajas y desventajas dependiendo de la aplicación. Las SMAs basadas en hierro o cobre, como Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al, y Cu-Al-Ni, son más comunes debido a su bajo costo y disponibilidad comercial. Sin embargo, las SMAs basadas en NiTi son preferidas para la mayoría de las aplicaciones debido a su mayor estabilidad y practicidad [ 30 ]. A la hora de crear estructuras acopladas con alambres y resortes de SMA, que permiten que la deformación unidimensional de los elementos SMA produzca deformaciones tridimensionales en las estructuras a las que están acoplados, existen cuatro tipos de mecanismos: uniones mecánicas, bisagras flexibles semirrígidas, elementos SMA adheridos externamente o incrustados en una matriz polimérica que enfrentan desafíos significativos, como la energía, la configuración, la fuerza y la escalabilidad [94]. Dentro de este tipo de actuadores se pueden encontrar diseños sencillos como el caso de un actuador de torsión compuesto por un alambre SMA incrustado en el centro de una matriz de polidimetilsiloxano que se retuerce al aplicar una corriente eléctrica mediante calentamiento Joule y que podría ser utilizado como catéter [95]. No obstante si se opta por un actuador curvado fabricado mediante un procedimiento de doble moldeo, se logran alcanzar ángulos de flexión máximos más grandes que un actuador recto con la misma configuración de sección transversal, lo que se traduce en una mayor fuerza de elevación.Este método es una buena estrategia tanto para aumentar el ángulo máximo de flexión del actuador como para cambiar el rango de deformación del actuador sin cambiar sus otras propiedades y dimensiones [ 96 ]. Se puede encontrar otro ejemplo de doble moldeo en un artículo de Hugo Rodrigue et al. [ 97 ] donde en primer lugar se fabrica un SSC con alambres SMA incrustados para posteriormente ser posicionado dentro de un segundo molde en 20 Capítulo 1. Introducción el que se inyecta polímero y se cura una segunda vez, con lo que se consiguen mejorar las capacidades del mismo. Por otra parte, al combinar aleaciones de memoria de forma bidireccionales (SMA), composites de curado de epoxi líquido a baja temperatura y plástico reforzado con fibra (FRP) se ha conseguido crear un actuador capaz de revertir su forma original y montarse en diferentes estructuras personalizadas [ 98 ]. Por último, se sabe que los actuadores SMA típicamente exhiben un ancho de banda limitado debido a la larga duración requerida para que la aleación se enfríe y regrese a su forma y flexibilidad naturales después de la activación eléctrica. Para solucionar este problema, Xiaonan Huang et al. han creado actuadores ligeros y altamente dinámicos basados en SMA utilizando elastómeros térmicamente conductores y examinando la influencia de la corriente eléctrica y la frecuencia de activación en la fuerza de bloqueo, la amplitud de flexión y la temperatura de funcionamiento [99]. (a) Actuación del SMA con forma de muñeca [97]. (b) Fabricación del actuador mediante doble moldeo [96]. (c) Actuador soft para un cateter activo [95]. (d) Actuador altamente dinámico: diseño, reposo y actuación [99]. Figura 1.29 Ejemplos de actuadores creados a partir de SMAs. Los Polímeros con Memoria de Forma (SMP) son una clase de materiales inteligentes, la mayoría de los cuales son termorresponsivos, y pueden programarse para recordar una forma temporal y revertir a la forma permanente al aplicar un estímulo específico, como calor o luz. Las ventajas de los SMPs incluyen la alta deformación elástica, baja densidad, bajo costo y facilidad de fabricación. Los tipos más comunes de SMPs desarrollados para aplicaciones biomédicas son el poliuretano (PU) y el poliuretano termoplástico (TPU) [30]. Para mejorar las capacidades de los actuadores, se han explorado diversas opciones, entre las cuales destaca la combinación de polímero termoplástico biocompatible de poliuretano (TPU) con ácido poliláctico (PLA). Un estudio llevado a cabo en la Universidad de Toronto por Janice J. Song et al. demostró que mediante la modificación de la composición de esta mezcla y su respectiva temperatura de programación, se lograron fuerzas de actuación significativamente superiores en comparación con los materiales existentes [ 100 ]. Al igual que en casos anteriores, algunos actuadores pueden combinar distintos tipos de actuación para lograr resultados más precisos y versátiles. Por ejemplo, se ha desarrollado un dedo robótico neumático blando cuya posición y rigidez pueden ser controladas de manera más precisa mediante la aplicación de un sustrato compuesto de material inteligente, que consiste en polímeros con memoria de forma (SMP) y ácido poliláctico (PLA) [ 101 ]. Por último, en un artículo publicado por Yuan-Fang Zhang et al. [ 102 ], se aborda un caso 1.2 Estado del arte 21 similar al mencionado anteriormente, donde se exploran actuadores blandos de respuesta rápida y rigidez ajustable (FRST) mediante el uso de impresión 3D multimaterial híbrida. En este estudio, se demuestra cómo la incorporación de una capa de polímeros con memoria de forma (SMP) en un actuador blando neumático permite mejorar su rigidez hasta 120 veces sin comprometer su flexibilidad y adaptabilidad. Este efecto se logra gracias a la rápida capacidad de calentamiento y enfriamiento, facilitada por un circuito conductor deformable impreso y un microcanal fluido impreso, lo que permite que el actuador FRST complete un ciclo de ablandamiento-endurecimiento (calentamiento-enfriamiento) en tan solo 32 segundos. (a) Proporción de fijación de forma de las mezclas de TPU/PLA según su porcentaje y temperatura [100]. (b) Dedo robótico bioinspirado [101]. (c) Demostración de alta capacidad de carga y buena adaptabilidad de forma por parte de un gripper equipado con tres actuadores FRST [102]. Figura 1.30 Actuadores basados en polímeros con memoria de forma. Los Polímeros Cristalinos Líquidos (LCPs) son materiales que experimenten una transición de fase de una fase ordenada a una fase desordenada al recibir algún estímulo, aunque en este caso nos centraremos en el calor. La organización de mesógenos en estos materiales se utiliza para definir la fase del material, principalmente entre las fases nemática y esméctica. La fase nemática conduce a una orientación uniforme de los mesógenos, mientras que la fase esméctica implica capas separadas en las que los mesógenos están organizados. La fase LC es importante, ya que afecta el método de actuación y el movimiento resultante de la actuación. El calentamiento de un material LC desde la fase nemática hasta una fase isotrópica produce una contracción reversible y repetible [ 25 ]. Los materiales de LCP pueden dividirse en polímeros cristal líquido reticulados (CLCPs) y polímeros cristal líquido lineales (LLCPs). Además, los CLCPs contienen elastómeros cristal líquido (LCEs) y redes cristal líquido (LCNs), diferenciados por la flexibilidad de la cadena principal, el grado de reticulación y la temperatura de transición vítrea (Tg) [ 103 ]. Los elastómeros cristal líquido (LCEs) son LCPs reticulados que muestran una gran capacidad de deformación y presentan un comportamiento similar al del caucho [ 25 ]. Los LCEs para actuadores fueron resumidos y revisados por diferentes autores como Yanlei Yu y Tomiki Ikeda [104] ó Yang et al. [105]. En un artículo reciente publicado por Yun-Li Chi et al. [ 106 ], se presenta un actuador soft miniaturizado impulsado electro-térmicamente, que exhibe la capacidad de generar grandes fuerzas y deformaciones, además de contar con capacidad de autodetección. Este actuador está compuesto por una capa activa de elastómero de cristal líquido (LCE) y una capa compuesta conductora (CCL). La CCL, compuesta por nanotubos de carbono (CNTs) y micropartículas de grafito, no solo funciona como un calentador electro-térmico para la activación del LCE, sino también como un material piezorresistivo para la detección de deformaciones. Este caso demuestra una vez más cómo la combinación de distintos elementos permite una mejora significativa de las capacidades del actuador. 22 Capítulo 1. Introducción (a) Esquema del actuador LCE miniaturizado con capacidad de autopercepción y de una pinza miniaturizada de dos dedos que consta de dos de los actuadores propuestos. (b) Etapas de la pinza agarrando y levantando un objeto (escala: 10 mm), mostrando la relación entre la resistencia y el peso del objeto. Figura 1.31 Actuador blando miniaturizado basado en elastómero de cristal líquido con capacidad de autopercepción compensada por temperatura [106]. En otro estudio realizado por Raja Annapooranan et al. [ 107 ], donde se ha explorado la adhesión de elastómeros de cristal líquido (LCEs) en comparación con otros adhesivos sensibles a la presión (PSAs), se muestra como los avances en la química de los LCEs pueden permitir ajustes finos adicionales de las propiedades de adhesión, lo que abre posibilidades para nuevas funciones, como la adhesión reversible y dependiente de la frecuencia, no disponibles en los polímeros tradicionales. A parte de los SMAs,SMPs yLCEs, que como ya se ha comentado son los más utilizados, existen otros materiales que pueden ser excitados por distintos tipos de actuación, entre las que se encuentra la térmica. Este es el caso de los hidrogeles de los que ya se expuso un ejemplo en el apartado de actuación eléctrica ó de los nanotubos de carbono que han aparecido en este documento en varias ocasiones mejorando las prestaciones de los actuadores a los que se incorporaban. En el caso de los hidrogeles, se trata de materiales que consisten en una red tridimensional de polímeros con un alto porcentaje de agua (hasta el 99% en peso). Debido a esta característica, los hidrogeles son capaces de contraerse sustancialmente (más de diez veces en volumen) cuando cambia el porcentaje de agua en el hidrogel, lo que puede ocurrir cuando se exponen a varios estímulos, incluida la luz, la temperatura, el pH, entre otros. Además, la sensibilidad de los hidrogeles a estímulos biológicamente relevantes los hace particularmente atractivos para aplicaciones biomédicas, como la ingeniería de tejidos y la liberación de fármacos [30]. Los actuadores basados en hidrogel termoactivados se dividen en dos categorías: aquellos con temperatura crítica de solución inferior (LCST) y aquellos con temperatura crítica de solución superior (UCST). Los actuadores LCST y UCST muestran respuestas opuestas a la temperatura. Los hidrogeles con LCST, como el poli(N-isopropilacrilamida) (pNIPAM), experimentan una contracción impulsada por la entropía a temperaturas por encima de la temperatura crítica y se hinchan de nuevo a su estado normal a bajas temperaturas. En contraste, los hidrogeles con UCST, como el poli(acrilato de ácido-co-acrilamida), experimentan una hinchazón impulsada por la entalpía a temperaturas por encima de la temperatura crítica y se contraen de nuevo a la normalidad a bajas temperaturas [108]. 1.2 Estado del arte 23 Figura 1.32 Comparación de características de distintos materiales usado en robótica soft frente a los hidrogeles [108]. Por otro lado, los actuadores de nanotubos de carbono (CNT) impulsados electro-térmicamente han sido investigados para superar la presencia de electrolitos para la activación. La conducción electro-térmica de los CNT se logra mediante una combinación con otros materiales que pueden contraerse y expandirse térmicamente, como la cera de parafina y elastómeros de polímeros de silicona. Generalmente, el cambio de volumen en el polímero de matriz inicia el mecanismo de actuación electro-térmica de las fibras de CNT combinadas. Sin embargo, los dispositivos construidos utilizando compuestos de CNT impulsados electro-térmicamente requieren un voltaje de accionamiento alto en comparación con otros dispositivos [ 25 ]. 7. Actuadores químicos: La actuación química difiere de otras actuaciones que son activadas por estímulos externos debido a que la energía de actuación proviene de la energía generada por la combustión o reacciones químicas, que se utiliza para lograr el movimiento. Es por eso que este tipo de actuación interna permite lograr la actuación de forma inalámbrica. Sin embargo, la principal desventaja que existe es que no puede permanecer activa durante mucho tiempo sin entrada de energía externa, y es difícil controlar la energía de actuación [23]. Como se ha discutido previamente, los actuadores blandos fabricados con películas de elastómero que contienen canales fluidos son comunes en la literatura. Sin embargo, se puede encontrar una forma novedosa de controlar estos actuadores en un artículo de Cagdas D. Onal et al. [ 109 ], donde se emplea un sistema de retroalimentación mecánica para controlar la presión generada mediante la descomposición química del peróxido de hidrógeno en gas oxígeno. Este enfoque elimina la necesidad de energía eléctrica, ofreciendo una alternativa eficiente y autónoma para el control de estos actuadores blandos, gracias a una bomba portátil que suministra presión. (a) Vista lateral y prototipo del mecanismo de bomba neumática química . (b) Prototipo de robot móvil rodante que utiliza seis actuadores pneumáticos para impulsarse. (c) Diseño final con electrónica de control a bordo y válvulas integradas. Figura 1.33 Robots móviles blandos con generación de presión química a bordo [109]. 24 Capítulo 1. Introducción En otra investigación similar, llevada a cabo por George M. Whitesides et al. [ 110 ], se detalla el empleo de explosiones para impulsar un robot blando compuesto exclusivamente por elastómeros orgánicos, como las siliconas. Este robot incorpora tres actuadores neumáticos (pneu-nets) dispuestos en una configuración tripédica. La detonación de una mezcla estequiométrica de metano y oxígeno en los microcanales que conforman los actuadores genera gas caliente, lo que expande rápidamente los pneu-nets y desencadena el lanzamiento vertical del robot desde una superficie plana, por ejemplo, para realizar un salto. Una solapa blanda integrada en el pneu-net actúa como la válvula de un sistema de escape pasivo, permitiendo múltiples activaciones secuenciales. Se ha observado que tanto la llama como el aumento de temperatura generados por las explosiones son de corta duración y no causan daños significativos al robot durante varios ciclos de activación. Por otro lado, en un artículo realizado por Nicholas W. Bartlett et al. [ 111 ], se presenta un ejemplo de actuador basado en combustión. En este documento se estudia un robot compuesto principalmente por dos hemisferios anidados. El hemi-esferoide inferior flexible presenta una pequeña depresión que proporciona un volumen inicial en el cual se inyectan oxígeno y butano, cuya ignición provoca una expansión volumétrica que impulsa el robot al aire. El hemisferio superior proporciona una interfaz mecánica para los componentes de control rígidos, además de evitar la expansión no deseada localmente y concentrar la energía de la combustión en el suelo, lo que mejora la eficiencia del salto. Finalmente, las patas neumáticas, que utilizan un diseño de hemi-elipsoide anidado similar al del cuerpo principal, rodean el actuador explosivo central y se utilizan para inclinar el cuerpo antes de un salto, controlando así la dirección del movimiento. Figura 1.34 Secuencia de funcionamiento de robot soft impulsado por combustión junto a su modelo [ 111 ]. También existen actuadores basados en hidrogeles químicamente sensibles que se dividen en varias categorías, incluyendo actuadores sensibles a disolventes, actuadores sensibles al pH y actuadores sensibles a biomoléculas [ 108 ]. La utilidad de los mismos se puede ver reflejada en campos como la medicina, como es el caso de un sistema de liberación de medicamentos controlado por un actuador para fármacos lipofílicos basado en un actuador de hidrogel de doble respuesta al pH [112]. Al igual que en casos anteriores, existen actuadores que combinan distintos tipos de actuación, como por ejemplo el actuador de hidrogel dual sensible al pH y la temperatura estudiado por Linmao Qian et al.[113]. (a) Cápsula para liberación de medicamentos [108]. (b) Gripper sensible a temperatura y cambio de pH [113]. Figura 1.35 Actuadores químicamente sensibles basados en hidrogel. 1.2 Estado del arte 25 8. Actuadores acústicos: Como ya se ha visto previamente, dentro del ámbito de la robótica, la capacidad de modular la rigidez de los materiales de manera controlable es crucial, ya que permite un cambio reversible entre estados flexibles y rígidos. Entre los métodos más empleados para lograr esto, que ya se han explorado en este documento, se encuentran aquellos que se basan en cambios de estado de diversos materiales debido a la temperatura, así como los métodos basados en el cambio de presiones para controlar el jamming ó el uso de campos magnéticos y eléctricos para alterar la viscosidad. Sin embargo, existe otro método menos común pero igualmente prometedor que los mencionados anteriormente: la modificación de campos acústicos [114]. Los métodos más novedosos que se utilizan en la actualidad para la manipulación de la materia sin contacto se basan en principios electromagnéticos [ 115 ] y tienen capacidades interesantes pero también limitaciones claras en términos de tamaño de partícula (rango micrométrico) y/o requisitos inherentes de propiedades materiales especiales [ 116 ]. Por ello, la actuación acústica proporciona una nueva oportunidad para implementar la actuación inalámbrica, ya que teóricamente, la energía acústica podría suspender objetos en el aire o manipularlos, ampliando así las opciones disponibles para los métodos de actuación [23]. (a) Accionamiento de líquidos no newtonianos usando un transductor ultrasónico. Configuración experimental [114]. (b) Levitación acústica unidimensional con ondas estacionarias generadas por un transductor y un reflector [117]. (c) Propuesta para un método de variación de rigidez basado en acústica mediante la alteración del estado de un sistema de partículas envuelto en una membrana con manipulación acústica [114]. Figura 1.36 Acoustic Soft Tactile (AST) Skin. Dentro de la literatura, se encuentran algunos ejemplos útiles que utilizan estos métodos. Por ejemplo, la piel AST permite mejorar significativamente la precisión de la estimación de características táctiles en 2D, lo que resulta esencial para reducir al mínimo el daño durante la manipulación de objetos al facilitar interacciones suaves y brindar retroalimentación. La captura de atributos cruciales como fuerzas de contacto, forma, deformación, ubicación y propiedades del material resulta fundamental para los sistemas de control avanzados, moldeando la ejecución precisa de tareas de manipulación [118]. 26 Capítulo 1. Introducción (a) Modelo para una sola capa. (b) Modelo de predicción de características táctiles. Figura 1.37 Acoustic Soft Tactile (AST) Skin. Otro ejemplo se muestra en un artículo donde se explora cómo la capacidad de controlar espacialmente la posición de la materia particulada en redes microfluídicas de flujo continuo mediante fuerzas de ondas estacionarias acústicas abre nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos de separación en aplicaciones bioanalíticas [ 119 ]. Esto permitiría por ejemplo el lavado continuo de sangre en casos donde el plasma sanguíneo pueda estar contaminado por factores de coagulación o componentes inflamatorios. (a) Ambas partículas de 3 mm y 8 mm salen por las salidas laterales. (b) Las partículas de 8 mm se enfocan en el nodo de presión de resonancia fundamental y las partículas de 3 mm se recogen en los nodos del 1er armónico. Figura 1.38 Diferencias entre aplicar o no ondas acústicas. Además, un estudio realizado en la Universidad Estatal de Pensilvania presenta unas "pinzas acústicas" basadas en ondas acústicas superficiales estacionarias que pueden manipular partículas, células y organismos individuales en un chip microfluídico [ 120 ]. Estas pinzas son biocompatibles a la vez que altamente seguras, permitiéndoles manipular una amplia gama de partículas, desde nanómetros hasta milímetros, con alta velocidad, lo que las hace ideales para aplicaciones de alto rendimiento como la clasificación celular. (a) Imágenes apiladas utilizadas para demostrar movimiento independiente en x y y utilizando una gota de poliestireno fluorescente de 10 um para escribir la palabra "PNAS". (b) Imágenes apiladas que muestran control dinámico de una célula roja de sangre bovina para trazar las letras "PSU". Figura 1.39 Uso de "pinzas acústicas" [120]. 1.3 Estructura del documento 27 Por último, se hablará de POE, el primer sistema robótico blando con seis micrófonos integrados que permiten la propriocepción acústica de alta fidelidad. Para lograr esto, inicialmente se capturan señales acústicas del robot, que luego se introducen en los módulos de propriocepción capaces de reconstruir con alta precisión la forma compleja del POE, como se ilustra en la figura [121]. Figura 1.40 Resumen del flujo propuesto para la propriocepción robótica acústica omnidireccional del efecto terminal (POE) [121]. 1.3 Estructura del documento Una vez concluida la fase de introducción, la memoria de este trabajo se estructurará de la siguiente manera: • En el capítulo 2 (Modelado) se mencionarán los distintos métodos que existen a día de hoy para poder simular materiales hiperelásticos. • En el capítulo 3 (Diseño) se abordarán los actuadores con los que se trabajará, haciendo mención a las características de los distintos diseños y a los motivos de su elección. • En el capítulo 4 (Simulación) se explicará a modo de tutorial los pasos seguidos para lograr simular los actuadores en ANSYS y se hará una comparación entre los distintos modelos existentes en la literatura y el motivo por el que en este trabajo se utiliza el FEM. • En el capítulo 5 (Fabricación) puesto que ya se tiene la base de como crear los modelos, gracias a lo comentado en el capítulo 3, simplemente se explicará el proceso a seguir para crear los actuadores, desde la fabricación de los moldes hasta el producto final. • El capítulo 6 (Resultados) servirá para extraer resultados experimentales de los actuadores para poder compararlos así con los obtenidos mediante simulación, comprobando si las hipótesis iniciales son correctas y si se obtiene lo esperado. • Por último en el capítulo 7 (Conclusión y líneas futuras) se hablará sobre los resultados obtenidos y las conclusiones que se pueden sacar de los mismo, así como los distintos caminos que podría tomar el proyecto en un futuro haciendo un repaso de las metas que se han logrado cumplir. 3 Diseño E ste capítulo comienza partiendo de la base del apartado anterior, en el que se vieron los distintos métodos empleados para modelar los actuadores soft. Se utilizará la información relativa a los métodos empíricos para poder hacer un prototipo inicial que posteriormente será introducido en el software Ansys que hará uso del método de elementos finitos y permitirá mediante simulación ver si las hipótesis que se han tomado son correctas. Para crear los diseños tanto de este capítulo como los diseños de los moldes que se verán en el capítulo de fabricación, se hará uso del software de diseño asistido por computadora Autodesk Inventor. Para este software existen multitud de tutoriales y libros, como por ejemplo el publicado recientemente por Hansen y Scott [147]. El diseño que se ha usado como referencia principal para la creación de los actuadores es el que se muestra en la imagen inferior. Dicho actuador se puede clasificar dentro de los PneuNets ya que está compuesto por una serie de canales y cámaras dentro del elastómero (como una secuencia de globos). En ellos, la expansión se consigue en las regiones menos rígidas gracias al uso de distintos materiales o a la creación de zonas con distintos grosores. En el caso concreto que se está tratando, se puede apreciar como en un lado del Pneunet se coloca una capa casi inextensible mientras que en el opuesto existe una estructura separada por espacios que contiene cámaras de aire que se expanden provocando la actuación. (a) Segmento en un estado no actuado. (b) segmento en un estado actuado y, por lo tanto, doblado. Figura 3.1 El diseño consiste en una entrada de canal (a), una capa de restricción casi inextensible (b), pliegues uniformes (d) separados por espacios uniformes (c), y canales internos dentro de cada pliegue (e) [148]. Este diseño de Marchese et al. [ 148 ] a su vez se fundamente en un articulo de Walsh et al. [ 59 ] donde se exploraron un subconjunto específico de parámetros (número de PneuNets, grosor de las paredes y altura de PneuNets) utilizando un modelo analítico para el rendimiento de la curvatura y la fuerza, que fue validado utilizando un FEM. Los resultados de las simulaciones FEM mostraron que, para una geometría dada (basada en la aplicación del guante suave del que trata el artículo), un actuador con 14 PneuNets, un grosor de pared de 1 mm y una 35 36 Capítulo 3. Diseño altura de PneuNets de 16 mm cumpliría con las especificaciones deseadas. Figura 3.2 Sección transversal del diseño del actuador suave que muestra: (l) número de PneuNets, (t) grosor de las paredes, (b) altura de los PneuNets y (d) distancia entre los PneuNets [59]. 3.1 Pneu1 (Diseño básico) El primer diseño propio que se ha ideado es el que se muestra a continuación. Tomando como referencia el apartado anterior, se ha ideado un actuador con 10 PneuNets con un grosor de pared genérico de 3 mm, aunque en el caso de las paredes que deberán ceder al inflarse, su grosor será de 2 mm. A-A ( 2 : 1 ) A A 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Diseño Basico Actuador Guillermo Canterla 14/06/2024 Diseño de Revisado por Aprobado por Fecha 1 / 1 EdiciónHoja Fecha 20,00 108,00 20,00 12,00 3,00 12,00 R2,00 83,00 2,006,003,00 2,00 18,00 3,00 7,00 108,00 20,00 20,00 14,00 14,00 R1,00 2,00 3,00 Figura 3.3 Diseño Pneu1 "Básico" acotado. 3.2 Pneu2 (Diseño cámara decreciente) El segundo diseño comparte las mismas características que su antecesor, Pneu1, con la excepción de que la cámara de aire en su interior sigue una estructura decreciente. Esta modificación se ha realizado con la 3.3 NotPneu (Diseño simple) 37 intención de mejorar el agarre al aumentar la superficie de contacto con el objeto que se desea sujetar, como se puede ver en un artículo de Mark Cutkosky et al. [62]. Figura 3.4 Las áreas brillantes indican contacto entre el actuador y la superficie. El Actuador A perdió una área de contacto significativa (resaltada en rojo) debido a que la mayor parte del actuador se flexionó alejándose de la superficie. El Actuador B puede mantener un alto grado de área de contacto durante la presurización [62]. A-A ( 2 : 1 ) A A 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Camara Decreciente Guillermo Canterla 14/06/2024 Diseño de Revisado por Aprobado por Fecha 1 / 1 EdiciónHoja Fecha 83,00 18,006,002,003,007,00 108,00 14,00 20,00 20,00 3,00 12,00 R1,00 R2,01 20,00 108,00 20,00 6,05 3,00 3,00 Figura 3.5 Diseño Pneu2 "Cámara decreciente" acotado. 3.3 NotPneu (Diseño simple) Por último, para comparar y evaluar las ventajas de las estructuras anteriores, se ha creado un tercer actuador con una estructura lo más simple posible. Este actuador está basado en una única cámara de aire interior de dimensiones rectangulares, sin ningún tipo de pneunet. 38 Capítulo 3. Diseño B-B ( 2 : 1 ) B B 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Diseño Simple Guillermo Canterla 14/06/2024 Diseño de Revisado por Aprobado por Fecha 1 / 1 EdiciónHoja Fecha 20,00 108,00 13,00 20,00 108,00 81,00 10,00 R1,00 10,00 8,003,00 2,00 23,00 Figura 3.6 Diseño NotPneu "Diseño simple" acotado. Con estos tres diseños se da por concluido el apartado de Diseño, por lo que se dará paso al capítulo de Simulación donde se podrán obtener resultados tanto numéricos como visuales de la actuación que se produce en los distintos prototipos. 4 Simulación C omo se ha mencionado a lo largo de este documento, al abordar la creación y diseño de actuadores neumáticos soft, hay que tener en cuenta la complejidad de sus no linealidades y geometrías, lo que dificulta la elaboración de modelos analíticos para describir su movimiento [ 57 ]. Por ello, es fundamental recurrir a una herramienta poderosa: el modelado por elementos finitos. Esta técnica, ampliamente tratada en el apartado 2.3 Métodos Numéricos, permite predecir el rendimiento y optimizar los diseños de manera efectiva. En este contexto, se utilizará el software ANSYS [ 149 , 150 ], conocido por su precisión al representar las propiedades materiales, la compleja geometría y los efectos físicos relevantes, como la elasticidad, el estrés y la deformación. Como primer paso y para familiarizarnos con el programa, se realizará un breve recorrido a modo de tutorial, basado en [ 151 ], a través de las diversas secciones necesarias para crear un diseño efectivo de un actuador neumático blando. Este recorrido incluirá partes esenciales como la definición de propiedades, modelado y geometría del actuador. 4.1 Tutorial ANSYS Se partirá de la base de que se ha instalado el programa correctamente y se comenzará por acceder al workbench del mismo, donde se seleccionará dentro de la pestaña Analysis Sistems la opción Static Structural la cual mostrará los siguiente paquetes, que se deberán ir completando: Figura 4.1 Static Structural. En esta ventana, se encuentran los componentes o secciones principales que permitirán definir nuestro objeto para ser simulado. Estos componentes son los siguientes: 1. Engineering Data Aquí se definen las propiedades de los materiales que se utilizarán para asignarlas posteriormente a la simulación. 2. Geometry Esta sección se utilizará para definir la geometría del actuador, especificando su forma y dimensiones precisas. 39 40 Capítulo 4. Simulación 3. Model En ella se asignarán los materiales correspondientes y se realizará el mallado (mesh) de la estructura para facilitar el análisis por elementos finitos. 4. Setup Se configurarán las condiciones de frontera y las cargas que se aplicarán durante la simulación. 5. Solution Esta sección se encarga de resolver las ecuaciones resultantes del modelo por elementos finitos, teniendo en cuenta las condiciones de frontera y las propiedades materiales 6. Results Junto con Solution, permitirá seleccionar y analizar la información que se obtiene de la simulación, como desplazamientos, tensiones y deformaciones del actuador. Como se verá más adelante, estas últimas cuatro opciones comparten el mismo entorno de edición, al que se accederá desde la sección Model. Siguiendo un orden lógico, se comenzará por hacer clic en Engineering Data, donde se abrirá una pestaña en la que se borrará el material que aparece por defecto. A continuación, se hará clic derecho sobre la opción de añadir un nuevo material para acceder posteriormente a Engineering Data Sources Figura 4.2 Eliminar material por defecto "Structural Steel". Tras esto se mostrarán varios materiales; el que se deberá seleccionar es el número 10, Hyperelastic Materials, por lo que pulsando sobre él para seleccionarlo. Posteriormente, se ñadirá el material Elastomer Sample (Yeoh) como se muestra en la siguiente imagen. Figura 4.3 Añadir material Elastomer Sample (Yeoh). Tras esto, se volverá a la pestaña anterior clicando en Engineering Data Sources (que aparece en la parte superior de la pantalla) para comprobar que se ha añadido el material deseado. Estando en esta pestaña y con el objetivo de terminar de definir las propiedades del material "yeoh", en la toolbox que aparece a la izquierda de la pantalla, se clicará sobre la opción Density, ubicada dentro de Physical Properties. Al hacerlo, deberá aparecer un recuadro amarillo al que se le asignará un valor de 1049kgm−3 . Posteriormente se seleccionará Yeoh 2nd Order que se encuentra dentro de la carpeta Hyperelastic y se añadirán los siguientes valores [ 151 ] en sus correspondientes casillas marcadas de color amarillo: C10 =0,11MPa;C20 =0,02MPa;D1=0MPa−1;D2=0MPa−1. 4.1 Tutorial ANSYS 41 Una vez añadidos los valores se podrá cerrar la pestaña Engineering Data para pasar al siguiente paquete, no sin antes comprobar que la sección que acaba de ser completada aparece marcada con un tick de color verde. Figura 4.4 Sección Engineering Data completada. El siguiente paso consiste en importar el objeto que se pretende analizar por lo que se hará clic derecho sobre Geometry y se seleccioanrá la opción Import Geometry > Browse. Tras esto se deberá abrir el diseño que se quiere importar, con la condición de que este en el formato .stp. Posteriormente se seleccioanrá la opción Model con el botón derecho de nuestro ratón y se pulsará Refresh. A continuación, si se abre la opción Model deberá aparecer tras un breve periodo de espera el modelo que se ha importado; no obstante, en nuestro caso se cerrará la pestaña en la que ha aparecido, ya que se optará por hacer click derecho sobre Geometry para escoger la opción Edit Geometry in Design Modeler la cual abrirá una nueva pestaña. En esta pestaña esta importada la geometría que se seleccionó anteriormente, pero para cargarla será necesario pulsar la tecla F5 o bien pulsar sobre la opción import que debe aparecer junto a un icono de un rayo amarillo, el cual se convertirá en un tick verde una vez cargado el modelo. Figura 4.5 Importar geometría del objeto. En esta nueva pestaña será importante seleccionar las superficies del actuador que sufrirán modificaciones al introducir aire. En nuestro caso se formaráb dos grupos, el primero constituido por las paredes internas de la cámara de aire y el segundo por las paredes exteriores que podrían entrar en contacto entre si al expandirse el actuador. Para lograr este cometido se seguirá la ruta tools > Named Selection lo que deberá abrir un recuadro en el que se deberá nombrar la selección que se va a crear y seleccionar las paredes que la conforman. Para ello será muy útil usar la herramienta Section Planes ya que permite hacer un corte en el actuador lo que facilita visualizar la cámara de aire que se encuentra en su interior. Una vez se encuentre visible se procederá a pulsar (ctrl+F) o a clicar sobre el icono Selection Filters:Faces y se procederá a marcar todas las paredes de la cámara de aire del actuador haciendo uso de ctrl+click izquierdo. Una vez seleccionadas todas las caras se pulsará en Apply y se volverá a pulsar F5 para comprobar que se ha realizado la operación de forma correcta. Tras esto, se usará de nuevo la herramienta Section Planes cortando el actuador por el mismo sitio pero seleccionando la otra mitad, ya que en el caso anterior solo se habían marcado las paredes que en ese momento se encontraban visibles. Posteriormente se seleccionará el grupo creado anteriormente y pulsando Edit Selection se podrá usar de nuevo ctrl+click izquierdo para seleccionar las paredes interiores que faltan. Una vez acabado se seguirán los mismos pasos que antes, pulsando Apply y F5. Si es necesario, se realizarán los cortes adicionales que sean precisos para definir correctamente la pieza. 42 Capítulo 4. Simulación Figura 4.6 Grupo constituido por las paredes internas. Con esto ya se habrá creado la primera selección de elementos, pero será necesario crear una segunda, por lo que se repetirán los pasos mencionados anteriormente. Esta vez se seleccionarán las paredes exteriores como se muestran en la imagen inferior y una vez se disponga de los dos conjuntos de elementos se podrá cerrar la pestaña Design Modeler. Figura 4.7 Grupo formado por las paredes externas. Dado que se han incluido cambios importantes en el modelo, será necesario hacer clic derecho sobre Model y seleccionar Refresh para posteriormente hacer doble clic sobre Model, lo que debería llevar a una nueva pestaña con los siguientes elementos: Figura 4.8 Modelo con los cambios aplicados. En esta pestaña se comenzará por pulsar Geometry, lo que deberá abrir una rama con el nombre del elemento que se han importado desde el ordenador. Si se clica en él deberá aparecer en una pestaña inferior el apartado Materials>Assigment vació, por lo que se seleccionará la opción Yeoh. Tras esto, en el apartado Static Structural se marcará la opción insert y se añadirán los siguientes elementos: 4.1 Tutorial ANSYS 43 • El primero de ellos será Fixed Support y tras pulsar (ctrl+F) o al clicar sobre Selection Filters:Faces, se seleccionará la cara del actuador que se busca que no se mueva, para posteriormente pulsar Apply. En el caso que estamos tratando, se considerará que la cara del actuador que se mantendrá estática será aquella por la que se introduce el aire. • El segundo elemento que se insertará será Standard Earth Gravity, donde se seleccionará la dirección y el sentido en el que se pretende que se aplique la fuerza de la gravedad. • Por último se añadirá el elemento Preassure cambiando el apartado Scoping Method por Named Selection para poder añadir la agrupación que se creó previamente con las paredes de la cámara de aire del actuador. Finalmente se dará un valor razonable a la presión como por ejemplo 30000 Pa. Tras añadir estos elementos el resultado debería ser similar al mostrado en la siguiente imagen: Figura 4.9 Elementos añadidos al apartado Static Structural. Una vez finalizado este apartado se seleccionará la opción mesh y dentro del apartado Default se optará por seleccionar las opciones Nonlinear Mechanicals, Quadratic y se le asignará un valor a Element Size en función de la precisión que se quiera obtener, teniendo en cuenta que la precisión afecta de forma directa al tiempo de cómputo, un valor aceptable que permite simular de manera rápida podría ser por ejemplo 0,5. También será importante entrar en el apartado Sizing para cambiar la opción Capture proximite que aparece de forma predeterminada como No y poner Yes. Este cambio habilitará el refinamiento de la malla cuando las caras o los bordes estén próximos, lo que permitirá una simulación mas precisa. Tras esto ya se habrán ajustado todos los parámetros por lo que solo hará falta hacer click derecho en mesh y darle a la opción Generate Mesh para aplicar el mallado sobre la pieza. (a) Mallado de 0,5 m. (b) Mallado de 0,05 m. Figura 4.10 Comparación de dos mallados en el actuador. El siguiente paso será definir los contactos de las caras exteriores de el actuador, para lo cual se pulsará sobre Model (A4) con el botón derecho de nuestro ratón y se seguirá la siguiente ruta insert>Connections>insert>manual contact region. Tras esto se abrirá una pestaña en la parte inferior izquierda de nuestra pantalla donde se seleccionará Named Selection en la opción Scoping Method y en los dos primeros apartados que faltan por completar se pondrá el nombre de la agrupación de paredes exteriores del actuador que se creó anteriormente. Por último en el campo definitions dentro del apartado Type se marcará la opción frictionless. 5 Fabricación T ras haber realizado las simulaciones pertinentes en el apartado anterior, se planteará en este el desafío de fabricar los 3 prototipos presentados en el apartado de diseño. Como ya se ha visto previamente, los actuadores soft neumáticos deben ser fabricados con materiales hiperelásticos que les permitan grandes deformaciones de flexión por lo que en primer lugar se hará un breve recorrido por los materiales más usados para este cometido. Al realizar una búsqueda por la literatura existente, se puede ver como los materiales más usados por la comunidad de la robótica blanda son Ecoflex (dureza Shore 5A y 00-10 a 00-50)[ 152 ], DragonSkin (dureza Shore 10–30 A)[ 153 ], Smooth-Sil (dureza Shore 35–60 A)[ 154 ], y Elastosil M4601 (dureza Shore 28A)[ 155 ]. Como se discute en el estudio de Moseley et al.[ 156 ] y Martins et al.[ 130 ], los modelos de Neo-Hookean y Mooney–Rivlin se basan en aproximaciones lineales de los invariantes de deformación y son precisos en deformaciones por debajo del 50% y 200%, respectivamente. Sin embargo, se recomiendan los modelos de Ogden, Yeoh o polinomios de mayor orden para deformaciones más altas[ 127 , 157 ]. En el análisis de elementos finitos (FEM) de los SFAs (Soft Fluidic Actuators), los modelos de Mooney–Rivlin y Neo-Hookean se pueden usar de manera segura para siliconas de mayor dureza Shore, como Elastosil M4601 y Smooth-Sil, y quizás DragonSkin. Sin embargo, para siliconas más suaves como Ecoflex, se prefieren los modelos de Yeoh y Ogden [57]. Figura 5.1 Escala de dureza Shore para siliconas en robótica blanda [57]. En el caso de este trabajo, se usará Ecoflex puesto que es más suave que los otros elastómeros, por lo que necesita niveles de presión más bajos para lograr los movimientos de flexión o extensión deseados. Al utilizar este material para crear el actuador neumático, la estrategia que se seguirá consistirá en crear moldes en los que verter dicha silicona para que adquiera la forma deseada, por lo que de aquí en adelante se comentarán los diseños propuestos. Para los 3 actuadores que se pretenden fabricar, serán necesarios tres piezas respectivamente, que se corresponderán con la base del actuador, el espacio que ocupará la cámara de aire y la tapa del actuador. A continuación se mostrará los diseños necesarios para crear el actuador NotPneu donde quedará más claro por qué se ha usado esta configuración formada por tres piezas. 51 52 Capítulo 5. Fabricación 5.1 Moldes NotPneu 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D NotPneu_base DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 07/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 114 15 26 4 3 3 3 3 20 Figura 5.2 Molde necesario para crear la base del actuador NotPneu. 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D NotPneu_aire DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 07/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 150 82 3 12 24 583 26 1 10 n2 2 Figura 5.3 Molde con la forma de la cámara de aire del actuador NotPneu. 5.1 Moldes NotPneu 53 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D NotPneu_tapa DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 07/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 10 26 4 3 3 114 Figura 5.4 Molde para crear la tapa del actuador NotPneu. Para poder fabricar el actuador se comenzará juntando las piezas NotPneu_base y NotPneu_aire, para que al verter el Ecoflex sobre ellas se forme la parte inferior del actuador con el espacio de la cámara de aire libre. Para lograr esto habrá que verter este material hasta llegar al límite marcado por NotPneu_aire, sin llegar a cubrirlo. De forma paralela, al verter la silicona sobre el molde de la tapa, se formará una cubierta, que una vez seca, podrá juntarse a la pieza anterior, formando así el actuador deseado. Figura 5.5 Ensamblaje de NotPneu_base y NotPneu_aire. Al usar este tipo de ensamblaje también será necesario bloquear el orificio en el que se apoya NotPneu_aire y que no se corresponde con la entrada de aire. Cabe destacar que este pequeño inconveniente se solventará en los diseños restantes. 54 Capítulo 5. Fabricación 5.2 Moldes Pneu1 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Pneu1_base 2_base_3 DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 10/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 26 10 30 3 14 3 3 3 3 R1 12 2 114 186 Figura 5.6 Molde para crear la base del actuador Pneu1. 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Pneu1_aire DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 07/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 12 3 7 32 135 2726 2 24 14 2 12 1 34 R2 R1 2 Figura 5.7 Molde con la forma de la cámara de aire del actuador Pneu1. 5.3 Moldes Pneu2 55 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Pneu1_tapa DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 07/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 114 3 3 26 10 20 13 Figura 5.8 Molde para crear la tapa del actuador Pneu1. El procedimiento a seguir será exactamente el mismo al de NotPneu y como se puede ver, gracias a la forma de Pneu1_aire el único orificio libre que quedará será por el que entre el aire. Figura 5.9 Ensamblaje de Pneu1_base y Pneu1_aire. 5.3 Moldes Pneu2 Con respecto a las piezas necesarias para crear este actuador, el único cambio que hay con respecto a Pneu1 es el de la cámara de aire, por lo que solo se adjuntará ese diseño. 56 Capítulo 5. Fabricación 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D Pneu2_aire DESIGNED BY CHECKED BY APPROVED BY DATE DATE Guillermo Canterla 07/07/2024 ISSUE SHEET 1 / 1 32 37 12 R1 R2 3 1 12 135 27 2 2 26 24 14 4 R378,18 4,21 2 Figura 5.10 Molde con la forma de la cámara de aire del actuador Pneu2. 5.4 Proceso de fabricación Con respecto a los pasos que se han seguido para la fabricación de los actuadores, se detallarán a continuación, tomando como ejemplo la creación de Pneu1: • Para preparar Ecoflex, se dispone de dos componentes, A y B. El primer paso consiste en medir cantidades iguales de cada sustancia en recipientes separados. Posteriormente, se mezclan cuidadosamente para obtener la composición final. (a) Componentes A y B junto a báscula. (b) Medida del componente B. (c) Mezcla de A y B. Figura 5.11 Proceso de creación de Ecoflex a partir de los componentes A y B. • A continuación, se vierte la mezcla obtenida en el molde deseado. En nuestro caso, se llenará el molde compuesto por Pneu1_base y Pneu1_aire hasta la altura indicada por Pneu1_aire para evitar cubrirlo, y se llenará el molde Pneu1_tapa hasta la altura especificada en su diseño. De manera opcional, se puede utilizar un desmoldante para facilitar la extracción de la pieza una vez curada. 5.4 Proceso de fabricación 57 (a) Moldes vacíos. (b) Moldes rellenos de Ecoflex. Figura 5.12 Moldes y Ecoflex. • Tras esto, se colocarán los moldes en una cámara de vacío para eliminar las burbujas de aire de la mezcla, evitando así imperfecciones en la pieza final. (a) Cámara de vacío. (b) Moldes antes de desgasificar. (c) Moldes después de extraer el aire del Ecoflex. Figura 5.13 Uso de la cámara de vacío. • Cuando se considere apropiado, se sacarán los moldes de la cámara de vacío y se dejarán reposar durante el tiempo especificado por el fabricante para que el Ecoflex se cure correctamente. (a) Moldes tras salir de la cámara de vacío. (b) Molde tras esperar el tiempo de secado. Figura 5.14 Proceso de curado del Ecoflex. 58 Capítulo 5. Fabricación •Una vez curados, se podrán desmoldar las dos partes del actuador. (a) Extracción de la pieza que emulaba la cámara de aire. (b) Desmoldado de la base y la tapa. (c) Tapa y base del actuador . Figura 5.15 Desmoldado de los componentes del actuador. • Tras haber desmoldado las dos partes del actuador, se aplicará un pegamento adecuado para unir ambas superficies, asegurándose de no dejar ningún hueco por el que pueda escapar el aire. (a) Pegamento utilizado (Sil-Poxy - Adhesivo de silicona). (b) Proceso de pegado. Figura 5.16 Proceso de unión de ambas partes del actuador. • Finalmente, se dejará reposar la pieza durante el tiempo indicado por el fabricante del pegamento utilizado. (a) Vista lateral. (b) Vista superior. Figura 5.17 Distintas perspectivas del actuador ya pegado. • En el caso de que, una vez seco, se escape aire por algún hueco del actuador, se volverá a aplicar pegamento en la zona de la fuga hasta obtener una pieza hermética. 5.4 Proceso de fabricación 59 Aunque durante el proceso de fabricación se siguieron todos los pasos necesarios y se obtuvo el resultado esperado, surgió un problema al momento de pegar las distintas partes de cada actuador. A pesar de realizar varios repasos en las zonas por las que se escapaba el aire, no se logró un sellado hermético en ninguno de los casos. El primer pegamento utilizado fue Sil-Poxy, un pegamento especial para silicona del mismo fabricante que el Ecoflex. Inicialmente, se obtuvieron buenos resultados con este adhesivo, ya que se observaron pocas fugas y la flexibilidad del actuador no se vio afectada. Sin embargo, después de aplicar varias capas, no se consiguió taponar todas las fugas. Por ello, se optó por probar Super Glue, que resultó ineficaz porque no se adhería a la silicona. Finalmente, se utilizó un pegamento epoxi de dos componentes que inicialmente solucionó las fugas, aunque incrementó la rigidez de los actuadores. No obstante, al inflar y desinflar los actuadores, se formaron grietas debido a la expansión del Ecoflex. Estas grietas provocaron de nuevo fugas de aire, por lo que con ninguno de los tres pegamentos se consiguió alcanzar el objetivo estipulado. Otra opción considerada fue la creación de una pieza de cera con la forma de la cámara de aire de cada actuador. Esto permitiría fabricar los actuadores utilizando un único molde, en el cual se colocaría estratégicamente la pieza de cera para luego llenar el molde con Ecoflex. Una vez solidificado el Ecoflex, el actuador se introduciría en un horno para derretir la cera, dejando el espacio con la forma deseada de la cámara de aire. Se realizaron varias pruebas siguiendo esta idea, pero no se obtuvieron los resultados esperados. Primero, se creó un molde mediante impresión 3D para verter la cera, pero debido a la alta temperatura necesaria para fundirla, el molde se deformó. Luego, se intentó verter la cera en un molde fabricado con Ecoflex, que soportó la temperatura. Sin embargo, al intentar retirar la pieza de cera, su fragilidad y la complicada forma de la cámara de aire hicieron imposible extraerla sin roturas o deformaciones. A pesar de que esta estrategia de fabricación parecía la más adecuada, no se continuó con ella debido a que la cera utilizada no tenía las características deseadas y no se encontró un material mejor. Por los motivos mencionados anteriormente, el resultado más óptimo se logró utilizando primero el adhesivo para silicona Sil-Poxy, seguido del recubrimiento con resina epoxi, aunque como veremos en el siguiente apartado, el pegamento epoxi provocó comportamientos no deseados del actuador. 66 Capítulo 7. Conclusión y líneas futuras estudios futuros para una mejor determinación de sus respectivas ventajas y limitaciones. Con respecto al principal inconveniente de este trabajo, que es la imposibilidad de lograr una buena adhesión entre la base y la tapa de los actuadores, se puede concluir que su principal causa es el tamaño de los actuadores. El poco espacio disponible para aplicar el pegamento, junto con el diseño que incluye varias cámaras de aire dispuestas en secciones transversales, resulta en fugas de aire que son muy difíciles de taponar de manera satisfactoria. Además, tras comparar distintos pegamentos, se puede afirmar que el que ha proporcionado los mejores resultados es el adhesivo Sil-Poxy, ya que este adhesivo no dificulta la flexión y locomoción de los actuadores. Finalmente, como veremos en la siguiente sección, comentaremos distintas opciones que se podrían seguir para abordar el problema desde otra perspectiva, ofreciendo soluciones alternativas para mejorar la adhesión y la flexibilidad de los actuadores. 7.1 Líneas futuras de investigación A raíz de los resultados obtenidos, se podría continuar este trabajo a partir de cualquiera de los siguientes pasos: • Rediseño de los actuadores: Se podría plantear un rediseño que proporcione una mayor superficie para la unión de las dos partes del actuador, aunque no se garantiza el éxito de este procedimiento. • Creación de un actuador de una sola pieza: Utilizando el diseño presentado en este trabajo, se podría crear un actuador de una sola pieza mediante la creación de la cámara de aire con cera, la cual se derretiría una vez fabricado el actuador. • Uso de resinas de distintas durezas: Crear el mismo tipo de actuador utilizando resinas de diferentes durezas permitiría elegir la más adecuada según la aplicación deseada. •Simulación con distintos objetos: Añadir al modelo de simulación diferentes objetos con los que el actuador, individualmente o en conjunto como un gripper, pudiera interactuar. • Diseño de moldes que faciliten el desmoldado: Plantear moldes que faciliten el desmoldado de los actuadores, reduciendo así los tiempos de fabricación y dando un primer paso hacia la comercialización. • Diseño de un gripper optimizado: Crear un diseño óptimo para juntar dos o más actuadores formando un gripper, facilitando la entrada de aire por un conducto común. Índice de Figuras 1.1 Orígenes de la palabra robot 2 1.2 Antecesores de la robótica 3 1.3 Películas de ciencia ficción que ayudaron a popularizar el concepto de robot 4 1.4 Módulo de Young de distintos materiales usados en ingeniería y biología [28] 5 1.5 Actuadores basados en elastómeros dieléctricos (DEA) 6 1.6 Aleteo de ala biónica de alta frecuencia basado en Nafion IPMC bajo un voltaje de CA de 5 V a 19 Hz [ 41 ] 7 1.7 Ejemplos de actuadores soft piezoeléctricos 7 1.8 Comparación del movimiento de un guepardo frente al micro-robot blando [46] 8 1.9 Ilustración esquemática del MSBA [ 51 ]. A) Mecanismo de actuación producido por el torque magnético. B) Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la membrana activa magnéticamente en diferentes zonas del MSBA. C) Aplicaciones 8 1.10 Funciones adicionales favorables a los actuadores magnéticos reprogramables [53] 9 1.11 Ejemplos de locomoción multimodal del robot en un entorno híbrido líquido-sólido [54] 9 1.12 Robot octópodo blando inspirado en la naturaleza e impulsado por campo magnético [56] 9 1.13 Ejemplos de PneuNets 10 1.14 Ejemplos de actuadores innovadores 11 1.15 Diseños novedosos de actuadores neumáticos 11 1.16 Robots neumáticos formados por varios actuadores 12 1.17 Aprovechando el flujo viscoso para simplificar la actuación de robots blandos fluidos [69] 12 1.18 Estrategia de detección adaptable para robots blandos fluidos [70] 13 1.19 Válvula hidráulica electroactivas para uso en aplicaciones de robótica soft [71] 13 1.20 Ejemplos de robots hidráulicos 14 1.21 Actuador y generador compuesto de polímero inspirado en la biología impulsado por gradientes de agua [77] 15 1.22 Aplicaciones del actuador ultrarrápido: 1) Imitación la acción de doblar y levantar un objeto con la mano 2) Imitando el movimiento de una oruga [79] 15 1.23 Actuadores formados por nanoesferas de PMMA y láminas de GO [80] 16 1.24 Hygrobot: Un actuador auto-locomotor con trinquete impulsado por la humedad ambiental [82] 16 1.25 Impacto de la fuente de luz en los movimientos fotomecánicos de actuador que imita la predación de una pitón [86] 17 1.26 Ilustración del movimiento basado en la oscilación rítmica similar al aleteo de un delfín [87] 17 1.27 Activación selectiva e inalámbrica de actuadores blandos mediante cambio de fase líquido a gas alimentado por láser [88] 18 1.28 Mejora de la zancada de un crawler, al aplicar luz NIR a parte de un campo eléctrico [92] 19 1.29 Ejemplos de actuadores creados a partir de SMAs 20 1.30 Actuadores basados en polímeros con memoria de forma 21 1.31 Actuador blando miniaturizado basado en elastómero de cristal líquido con capacidad de autopercepción compensada por temperatura [106] 22 1.32 Comparación de características de distintos materiales usado en robótica soft frente a los hidrogeles [ 108 ] 23 1.33 Robots móviles blandos con generación de presión química a bordo [109] 23 1.34 Secuencia de funcionamiento de robot soft impulsado por combustión junto a su modelo [111] 24 67 68 Índice de Figuras 1.35 Actuadores químicamente sensibles basados en hidrogel 24 1.36 Acoustic Soft Tactile (AST) Skin 25 1.37 Acoustic Soft Tactile (AST) Skin 26 1.38 Diferencias entre aplicar o no ondas acústicas 26 1.39 Uso de "pinzas acústicas" [120] 26 1.40 Resumen del flujo propuesto para la propriocepción robótica acústica omnidireccional del efecto terminal (POE) [121] 27 2.1 Curva típica de esfuerzo-deformación para un material hiperelástico y ajuste de diferentes modelos hiperelásticos con datos de ensayos de tracción uniaxial[132] 32 3.1 El diseño consiste en una entrada de canal (a), una capa de restricción casi inextensible (b), pliegues uniformes (d) separados por espacios uniformes (c), y canales internos dentro de cada pliegue (e) [148] 35 3.2 Sección transversal del diseño del actuador suave que muestra: (l) número de PneuNets, (t) grosor de las paredes, (b) altura de los PneuNets y (d) distancia entre los PneuNets [59] 36 3.3 Diseño Pneu1 "Básico" acotado 36 3.4 Las áreas brillantes indican contacto entre el actuador y la superficie. El Actuador A perdió una área de contacto significativa (resaltada en rojo) debido a que la mayor parte del actuador se flexionó alejándose de la superficie. El Actuador B puede mantener un alto grado de área de contacto durante la presurización [62] 37 3.5 Diseño Pneu2 "Cámara decreciente" acotado 37 3.6 Diseño NotPneu "Diseño simple" acotado 38 4.1 Static Structural 39 4.2 Eliminar material por defecto "Structural Steel" 40 4.3 Añadir material Elastomer Sample (Yeoh) 40 4.4 Sección Engineering Data completada 41 4.5 Importar geometría del objeto 41 4.6 Grupo constituido por las paredes internas 42 4.7 Grupo formado por las paredes externas 42 4.8 Modelo con los cambios aplicados 42 4.9 Elementos añadidos al apartado Static Structural 43 4.10 Comparación de dos mallados en el actuador 43 4.11 Definición de los contactos de las caras exteriores 44 4.12 Opciones del apartado Step Control 44 4.13 Opciones insertadas en Solution(A6) 44 4.14 Deformación total a los 0,35 s 44 4.15 Deformación elástica equivalente tras 1 s 45 4.16 Estrés equivalente tras 0,68 s 45 4.17 Deformación total a lo largo del tiempo según la presión: A) 30 kPa B) 60 kPa C) 120 kPa 45 4.18 Comparación de los distintos parámetros de NotPneu en función de la presión 46 4.19 Simulación de NotPneu en el instante de tempo T=1 [s] a una presión de 120 kPa 46 4.20 Deformación total a lo largo del tiempo según la presión: A) 10 kPa B) 30 kPa C) 60 kPa D) 90 kPa 47 4.21 Comparación de los distintos parámetros de Pneu1 en función de la presión 47 4.22 Simulación de Pneu1 en el instante de tempo T=1 [s] a una presión de 90 kPa 48 4.23 Deformación total a lo largo del tiempo con presión lineal de: A) 30 kPa. b) 60 kPa. C) 100 kPa 48 4.24 Comparación de los distintos parámetros de Pneu2 en función de la presión 49 4.25 Simulación de Pneu2 en el instante de tempo T=1 [s] a una presión de 100 kPa 49 5.1 Escala de dureza Shore para siliconas en robótica blanda [57] 51 5.2 Molde necesario para crear la base del actuador NotPneu 52 5.3 Molde con la forma de la cámara de aire del actuador NotPneu 52 5.4 Molde para crear la tapa del actuador NotPneu 53 5.5 Ensamblaje de NotPneu_base y NotPneu_aire 53 5.6 Molde para crear la base del actuador Pneu1 54 5.7 Molde con la forma de la cámara de aire del actuador Pneu1 54 5.8 Molde para crear la tapa del actuador Pneu1 55 Índice de Figuras 69 5.9 Ensamblaje de Pneu1_base y Pneu1_aire 55 5.10 Molde con la forma de la cámara de aire del actuador Pneu2 56 5.11 Proceso de creación de Ecoflex a partir de los componentes A y B 56 5.12 Moldes y Ecoflex 57 5.13 Uso de la cámara de vacío 57 5.14 Proceso de curado del Ecoflex 57 5.15 Desmoldado de los componentes del actuador 58 5.16 Proceso de unión de ambas partes del actuador 58 5.17 Distintas perspectivas del actuador ya pegado 58 6.1 Locomoción del actuador NotPneu tras aplicarle aire a presión experimentalmente, frente a simulación con presión de 60kPa 61 6.2 Locomoción del actuador Pneu1 tras aplicarle aire a presión experimentalmente, frente a simulación con presión de 60kPa 62 6.3 Locomoción del actuador Pneu2 tras aplicarle aire a presión experimentalmente, frente a simulación con presión de 60kPa 63 Bibliografía [1] R. 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