Un equipo de ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) ha diseñado un dispositivo con forma de resorte o ‘flexión’, que tiene por objetivo aprovechar al máximo los tejidos musculares adheridos a los robots. Este resorte podría utilizarse como un nódulo básico con forma de esqueleto en casi cualquier robot musculoso, gracias al cual podrán imitar el movimiento que un músculo es capaz de realizar de forma natural. Los investigadores adelantan que su invento podría practicar procedimientos mínimamente invasivos en humanos.
Fue una inspiración en el cuerpo humano lo que llevó al equipo de ingenieros a desarrollar el resorte. Observaron cómo los músculos logran convertir la energía en movimiento, siendo unas estructuras conformadas por fibras musculares que, además de ser potentes y precisas, pueden curarse de los daños recibidos y fortalecerse con el ejercicio. Estas premisas les impulsaron a crear unos robots bautizados como ‘biohíbridos’, con actuadores que funcionan a semejanza de los músculos humanos.
El problema residía en que existen muchos modelos de robots, pero no hay un plan específico que indique cómo aprovechar esos músculos en cada uno de ellos. Sin embargo, el nuevo resorte diseñado podría resolver este problema, ya que han incorporado un anillo de tejido muscular en el dispositivo con el que el músculo del robot ha sido capaz de estirar del resorte hasta 5 veces más que con otros diseños. Este nuevo diseño de flexión supone un nuevo bloque de construcción que se puede combinar con otros modelos para construir cualquier configuración de esqueletos artificiales.
El equipo está diseñando “un nuevo conjunto de reglas para crear robots potentes y precisos impulsados por músculos que hagan cosas interesantes”
Ritu Raman, ingeniera mecánica y profesora de Diseño de Ingeniería en el MIT, ha declarado que “estas flexiones son como un esqueleto que ahora las personas pueden usar para convertir la actuación muscular en múltiples grados de libertad de movimiento, de una manera muy predecible”. Además ha informado de que está creando “un nuevo conjunto de reglas para crear robots potentes y precisos impulsados por músculos que hagan cosas interesantes”.
LA CONTRACCIÓN MUSCULAR
Para conseguir que un músculo funcione como un actuador mecánico, los equipos de ingenieros suelen colocar una banda de tejido muscular entre dos postes pequeños y flexibles. Cuando la banda muscular se contrae naturalmente, puede doblar los postes y juntarlos, produciendo algún movimiento que idealmente impulsaría parte de un esqueleto robótico. Sin embargo, los movimientos que han creado estos músculos son más limitados porque los tejidos resultan variables en la forma en que entran en contacto con los postes.
Dependiendo de dónde están colocados los músculos en los postes y de qué parte de la superficie muscular toca el poste, los músculos pueden ser capaces de juntar los postes, pero en otras ocasiones pueden tambalearse de manera incontrolable. Así pues, el objetivo del equipo de Raman fue buscar un diseño de esqueleto que enfocara y maximizara las contracciones o flexiones de un músculo, independientemente del lugar y la posición en la que se colocara el esqueleto. Y, así, generar el mayor movimiento posible de forma predecible y confiable.
"Necesitamos un dispositivo que sea muy suave y flexible en una dirección, y muy rígido en todas las demás direcciones"
Para ello, consideraron las múltiples direcciones en las que un músculo puede moverse de forma natural: “Necesitamos un dispositivo que sea muy suave y flexible en una dirección, y muy rígido en todas las demás direcciones, de modo que cuando un músculo se contraiga, toda esa fuerza se convierta eficientemente en movimiento en una dirección”, ha explicado Raman.
UNA FLEXIÓN SUAVE
La banda de tejido muscular entre dos postes es la característica clave que ayuda a los resortes en la flexión. "Dependiendo de qué tan delgadas y separadas estén las vigas, se puede cambiar la rigidez que parece tener el resorte", recuerda Raman. Fruto de las coincidencias, la profesora encontró algunos resortes en el laboratorio de su colega Martin Culpepper, profesor de Ingeniería Mecánica en el MIT, y junto a él y su equipo, diseñaron una flexión con una configuración y rigidez que permiten que el tejido muscular se contraiga naturalmente y estire al máximo el resorte.
Tras realizar los cálculos oportunos para relacionar las fuerzas naturales de un músculo con la rigidez y el grado de movimiento de una flexión, finalmente diseñaron una flexión de 1/100 de la rigidez del propio tejido muscular. El dispositivo, que parece un acordeón en miniatura, tiene las esquinas fijadas a una base subyacente a través de un pequeño poste que, a su vez, se asienta cerca de un poste vecino ajustado directamente a la base. Alrededor de ambos postes se colocó una banda de músculo moldeada con fibras musculares vivas de células de ratón.
Observar la rapidez con la que se cansan nuestros músculos y cómo podemos ejercitarlos para tener respuestas de alta resistencia es lo que podemos descubrir con esta plataforma"
A partir de ahí, fue posible medir cómo de cerca se juntaban los postes a medida que la banda muscular se contraía. El equipo halló que esta configuración permitía una contracción enfocada que hacía que los postes se acercaran entre sí hasta 5 veces más en comparación con modelos anteriores. “La flexión es un esqueleto que diseñamos para que fuera muy suave y flexible en una dirección, y muy rígido en todas las demás direcciones. Cuando el músculo se contrae, toda la fuerza se convierte en movimiento en esa dirección. Es un aumento enorme”, explica Raman.
Además, han descubierto que el invento puede utilizarse para medir con precisión el rendimiento y la resistencia muscular. Al variar la frecuencia de las contracciones musculares, observaron que los músculos “se cansaban” a frecuencias más altas y no generaban tanta tracción. "Observar la rapidez con la que se cansan nuestros músculos y cómo podemos ejercitarlos para tener respuestas de alta resistencia es lo que podemos descubrir con esta plataforma", expresa la profesora.
APLICACIONES
Los resortes creados por el equipo de Raman podrán ser utilizados por cualquier ingeniero paranutrir sus propios esqueletos con más tejidos musculares y así potenciar los movimientos de sus robots. En cambio, los ingenieros del MIT van a seguir investigando para adaptar y combinar flexiones, con el objetivo de construir robots precisos, articulados y confiables, impulsados por músculos naturales. Asimismo, pretenden construir un robot quirúrgico “que pueda realizar procedimientos mínimamente invasivos dentro del cuerpo”.