AirForce: Un sistema que convierte tubos inflables en estructuras robóticas gigantes

La construcción de robots o mecanismos animados de grandes dimensiones ha sido tradicionalmente un desafío que implica el uso de armazones robustos, numerosos puntos de unión, actuadores pesados y un equipo considerable para su montaje. Sin embargo, el sistema AirForce, desarrollado por el Hasso Plattner Institute, presenta una alternativa mucho más ligera y eficiente. Esta tecnología permite transformar un único tubo inflable en estructuras animadas de tamaño considerable, capaces de manipular cargas sustanciales.

La esencia de AirForce

AirForce parte de la investigación previa en estructuras de celosía inflables, pero la lleva a un nuevo nivel al permitir que secciones de ese mismo tubo se conviertan en actuadores neumáticos. El resultado es una estructura que se puede "plegar" a partir de una pieza continua de material, eliminando la necesidad de juntas convencionales o cilindros neumáticos separados. Esta integración reduce drásticamente la complejidad y el peso del conjunto, a la vez que facilita su transporte y montaje.

Actuadores integrados para diversas funciones

Los investigadores han diseñado tres tipos de actuadores integrados, cada uno optimizado para distintas tareas:

• Actuadores de pandeo: Se enderezan al presurizarse, empujando sus puntos extremos y generando una fuerza máxima de 480 newtons (N).
• Actuadores de músculo: Se expanden en diámetro mientras se contraen en longitud, produciendo una fuerza de tracción que alcanza los 1.420 N.
• Actuadores telescópicos: Colapsan parcialmente en sus extremos cuando la presión disminuye y se extienden al inflarse, proporcionando las mayores fuerzas, con un pico de 2.330 N.

Estas capacidades permiten a las estructuras AirForce realizar una variedad de movimientos complejos y dinámicos, adaptándose a las necesidades específicas de cada diseño.

Innovaciones técnicas fundamentales

Para lograr las fuerzas y el rendimiento necesarios a partir de tubos inflables, el equipo de investigación implementó cambios sustanciales en los sistemas existentes. Se triplicó la sección transversal del tubo y se sustituyeron los cierres tipo "aleta" por sellos "lap" más robustos, lo que permitió aumentar la presión de operación hasta cuatro veces. Además, los compresores convencionales fueron reemplazados por sopladores personalizados, capaces de entregar aproximadamente 50 veces más flujo de aire.

Cada soplador incorpora un motor Domel serie 714, un controlador basado en ESP32-C3, un sensor de presión y una batería de 40 V y 2,5 Ah. Un sistema de regulación de presión en bucle cerrado permite mantener presiones específicas y reducir el consumo de energía una vez alcanzado el objetivo. La batería proporciona entre 15 y 45 minutos de funcionamiento, dependiendo de la presión requerida.

Diseño y montaje simplificados

El proceso de diseño de estructuras AirForce se realiza mediante un complemento específico para Blender. Los usuarios modelan una estructura de celosía, el software traza automáticamente la ruta del tubo a través de ella y permite al diseñador convertir secciones seleccionadas en actuadores. Para diseños muy grandes, el software divide la estructura según los rollos de tubo disponibles y genera etiquetas para indicar dónde añadir amarres, sellos, entradas de aire y sopladores.

El montaje no requiere equipo especializado. Los usuarios extienden los tubos prefabricados, delimitan secciones con cierres de velcro e instalan las entradas de aire personalizadas para los sopladores. Dado que gran parte del trabajo se puede realizar con la estructura en el suelo, incluso las creaciones de gran tamaño pueden ser ensambladas por una sola persona.

Demostraciones de capacidad

Para ilustrar las posibilidades de AirForce, los investigadores construyeron una plataforma de movimiento de seis grados de libertad capaz de levantar personas. Pero la demostración más impactante es un T. rex animatrónico de 15 metros de largo, 7,6 metros de alto y 60 kilogramos de peso. Los actuadores de pandeo controlan su mandíbula, los actuadores de músculo mueven su cola y los actuadores telescópicos inclinan el dinosaurio completo, mostrando la versatilidad del sistema para movimientos complejos y dinámicos.

Una vez que una estructura ya no es necesaria, simplemente se desinfla y el aire es liberado. Los tubos pueden plegarse para su transporte o desatarse y reutilizarse para construir una creación completamente diferente, con casi el 100% del material estructural disponible para nuevos proyectos. Esta capacidad de reutilización subraya el potencial de AirForce para aplicaciones sostenibles y flexibles en diversos campos.