Por qué la impresión 3D y la robótica son una combinación perfecta

Por qué la impresión 3D y la robótica son una combinación perfecta

Los robots totalmente autónomos son una de las primeras cosas que vienen a la mente a la hora de visualizar nuestro futuro mundo. Ya no se limita a la ciencia ficción, muchos sectores de la robótica ya se han convertido en parte integral de nuestra sociedad, desde líneas de producción automatizadas, hasta drones controlados por radio, hasta dispositivos médicos.

El desarrollo todavía es necesario para acercarse a esa visión final, pero la impresión 3D en robótica promete nuevos niveles de precisión y costes reducidos, por lo que es vital para iniciar la próxima generación de robots.

La historia de la robótica impresa en 3D

Los primeros robots modernos fueron inventados en la década de 1950 por el inventor estadounidense George C. Devol. Sus primeros prototipos para el ‘Unimate’, un sistema programable de transporte de objetos, utilizaban tubos de vacío crudos e interruptores digitales.

En las décadas posteriores, con mejoras en los métodos de producción y la computación, hemos llegado a un punto en el que no sólo se utilizan sistemas robóticos a escala industrial, sino que la inteligencia artificial les permite funcionar sin aporte humano.

Cómo la impresión 3D está ayudando a la robótica moderna

En los últimos años, la impresión 3D se ha convertido en un componente crucial en la industria de la robótica. La impresión 3D puede producir piezas mucho más precisas para proyectos de robótica con menos material desperdiciado. Utilizando sinterizado láser de metal directo (DMLS) o deposición de energía dirigida (DED),los productos metálicos se pueden producir mucho más baratos que con los métodos de fabricación tradicionales.

Empresas de impresión 3D como Stratasys han experimentado con la adaptación de la tecnología de impresión 3D a las herramientas de producción robótica existentes. En 2016, revelaron su Robotic Composite 3D Demonstrator.

Al adaptar su propia tecnología FDM a un brazo de movimiento industrial de 8 ejes, pudieron utilizar la impresión 3D de deposición para producir algunas de las piezas más grandes jamás fabricadas en impresoras 3D. Esto también tuvo el beneficio adicional de permitir la fabricación de forma libre con diseños más intrincados mucho más rápido que con las impresoras 3D existentes.

Y la creciente disponibilidad de impresión 3D a los aficionados ha hecho que la robótica previamente exclusiva sea más accesible que nunca. Proyectos de robots de código abierto como InMoov y Poppy están disponibles para cualquiera que descargue e imprima en una impresora 3D de escritorio, llevando la robótica al hogar como nunca antes.

Con la impresión 3D convirtiéndose en un accesorio cada vez mayor de la industria, aquí están las dos áreas principales de la robótica en las que la impresión 3D ha hecho la mayor diferencia:

Las principales formas de robótica impresa en 3D

Robótica dura

La robótica dura son robots que están hechos con estructuras fuertes y rígidas, capaces de moverse sólo a través de actuadores, un componente que facilita el movimiento mecánico, en las articulaciones entre las piezas. La mayoría de los robots actuales están hechos con robótica dura, incluyendo la recientemente aterrizada NASA Mars Rover Perseverance. Son mucho más fáciles de construir y programar, además de ser mucho más fuertes.

De hecho, 11 componentes de Perseverance se hicieron utilizando impresión 3D. Cinco de ellos, una carcasa de titanio de dos piezas, un marco de montaje y dos puntales de soporte, fueron utilizados en el Instrumento Planetario del Rover para lithoquímica de rayos X (PIXL), un dispositivo utilizado para rayos X en la superficie de Marte y la detección de signos de microbios fosilizados.

La NASA ha declarado que la impresión 3D ha ayudado a reducir la masa de estos componentes en tres o cuatro veces, lo que ha ayudado a reducir el consumo de combustible, tanto del lander como del Rover.

Casi toda la impresión 3D en la Tierra se centra en metales y plásticos. Estos son materiales relativamente fáciles de moldear, y son extremadamente fuertes y duraderos. La robótica dura se basa en estos materiales y la impresión 3D de precisión permite hacer que los componentes complejos sean mucho más fáciles de producir.

Muchos proyectos de robótica impresa en 3D utilizan impresión 3D para producir tanto el esqueleto de metal como la cubierta de plástico utilizando un proceso más específico y personalizable que con otros métodos.

Al igual que con Perseverance, los ingenieros pueden diseñar e imprimir sus modelos con precisión microscópica, reduciendo el material de desecho y haciendo las piezas más ligeras.

Esto ha allanado el camino para los nuevos desarrollos revolucionarios en robótica que hemos visto en los últimos años, incluyendo robots como Poppy que pueden caminar erguidos y realizar tareas al mando. Y con la impresión 3D cada vez más doméstica, los productos robóticos duros están encontrando cada vez más su camino en nuestros hogares.

El hecho de que la impresión 3D reduzca el material de desecho y, por lo tanto, mejore la rentabilidad, logra un gran beneficio. Stratasys han defendido la impresión 3D para ayudar significativamente al desarrollo de sus brazos robóticos y permitir una mayor libertad en el diseño.

Robótica blanda

Comparativamente, la robótica blanda es una industria mucho más joven, pero no menos prometedora. Se diferencia de la robótica dura, ya que utiliza materiales más flexibles con actuadores construidos en toda la estructura, permitiendo la libre circulación animal.

Ya estamos viendo diseños y prototipos de plantillas robóticas de zapatos para ayudar a aquellos que luchan por caminar ayudando con el equilibrio y reduciendo las molestias para aquellos con pies planos, e incluso chalecos salvavidas con componentes mecánicos incorporados para ayudar al usuario a mantenerse a flote.

Además, en muchos de los proyectos de robótica dura más avanzados y realistas, la robótica blanda se incorpora para imitar el músculo y la piel.

La impresión 3D es un ajuste natural para este sector, ya que la complejidad de los diseños y materiales en el trabajo se hacen mucho más eficientes con la tecnología de impresión 3D. El uso de materiales elásticos que pueden soportar el estrés y nunca perder su forma es crucial.

Plásticos sintéticos como la silicona son perfectos para esto, pero son muy difíciles de moldear eficazmente por métodos tradicionales. La impresión 3D está empujando hacia atrás estos límites, con resinas de silicona que hacen que la impresión precisa sea un proceso mucho más fácil.

Esto ha permitido a los investigadores imprimir estructuras de silicona en una variedad de formas y tamaños que se pueden combinar con componentes robóticos preprogramados o basados en inteligencia artificial que tienen una amplia gama de aplicaciones cotidianas útiles.

El fabricante ACEO ha desarrollado una herramienta de pinza robótica impresa en 3D de silicona, que tiene una mano de tres puntas en el extremo de un brazo. Esto puede ser utilizado por personas discapacitadas o de edad avanzada para recuperar artículos inalcanzables sin lesionarse a sí mismos.

Profesores de la Universidad Estatal de Oregón llevaron a cabo un estudio en 2018 para comparar la impresión 3D de silicona en robótica blanda con la moldura tradicional, y encontraron que la impresión 3D redujo en gran medida las deficiencias en errores humanos, manejo manual y fabricación multipaso.

Con esto, está claro que la impresión 3D es el futuro de la robótica blanda, y de la industria robótica en general.

Los proyectos de robótica impresos en 3D más avanzados

InMoov

A pesar de ser uno de los proyectos robóticos más antiguos del presente, InMoov, inventado por el escultor y diseñador francés Gael Langevin, ha sido revitalizado por la industria de la impresión 3D y una vez más está allanando el camino para el desarrollo futuro.

Comenzando como una sola mano protésica, y avanzando a ser un cuerpo superior completo a partir de ahora, InMoov está limitado en sus funciones, restringido a movimientos y gestos simples, pero tiene muchas partes intrincadas que se mueven de forma independiente, incluyendo dedos y ojos.

Sin embargo, eso no es lo que hace especial a InMoov. Lo que hace es el hecho de que los diseños están disponibles públicamente en su sitio web,y su código es de código abierto, lo que significa que cualquiera puede imprimir o modificar InMoov en su propia casa, y programarlo utilizando código creado por la comunidad.

Todo lo que necesita para construir su propio modelo es una impresora 3D de escritorio con un volumen de construcción de 12 x 12 x 12 cm, tres servomotores, un microcontrolador Arduino Uno y Mega, y el software de scripting MyRobot Lab y Python, así como los materiales de impresión necesarios.

Naturalmente, InMoov es uno de los favoritos de los laboratorios y universidades, y se utiliza para la enseñanza de la informática y la programación. Pero la naturaleza verdaderamente accesible de un modelo tan avanzado es un buen presagio para el futuro de la robótica impresa en 3D.

Poppy

Poppy es un robot humanoide bípedo desarrollado por Matthieu Lapeyre para su tesis doctoral y producido por primera vez en el Laboratorio Flowers en Burdeos en 2012. Poppy está completamente impreso en 3D y es capaz de un movimiento fluido, incluyendo caminar.

Al igual que InMoov, Poppy es un proyecto de código abierto y los bloques de construcción están disponibles para que cualquier aficionado o profesional pueda acceder y reproducirlo. Poppy también es escalable, lo que significa que, con los componentes mecánicos adecuados, se puede producir en cualquier tamaño para ajustar o maximizar el volumen de construcción de cualquier impresora 3D.

La simplicidad del diseño significa que los componentes se pueden agregar o quitar para reproducirse a niveles de mercado masivo, lo que permite a cualquier persona tener su propia amapola construida a sus características personalizadas. Y ella puede ser programada con cualquier número de comandos de elección.

La interfaz web de Poppy permite al usuario preprogramar tareas que se llevarán a cabo sin necesidad de más entrada, lo que significa que puede salir de su casa y dejar que Poppy actúe de forma independiente.

Dando a cualquiera la capacidad de imprimir estos robots desde casa, la impresión 3D está democratizando una industria que alguna vez fue exclusiva. Este es el futuro que la impresión 3D siempre ha prometido traer.

Ai Build

En el sector de la fabricación de impresión 3D, empresas como Ai Build han comercializado el servicio de impresión 3D utilizando brazos robóticos. Ofrecen un servicio para imprimir cualquier cosa utilizando una gama de materiales diferentes de una manera más rápida y rentable que nunca.

El proceso funciona en dos aspectos combinados. Ai Sync es una plataforma en la nube que permite a los clientes cargar diseños CAD y, a continuación, automatiza todo el proceso de producción. Estas capacidades de monitoreo incluyen la detección de imperfecciones en la pieza, a la eficiencia del robot y más. Junto a esto está el Ai Maker, que es una serie de brazos robóticos multidimensional con tecnología de impresión 3D incorporada que utiliza inteligencia artificial para programar el sistema para imprimir.

Ai Build afirma que su proceso no sólo es más barato que los métodos de fabricación tradicionales, sino incluso más barato que otras formas de impresión 3D, mientras que produce al lado de cero material de desecho o mano de obra humana. También reduce drásticamente los tiempos de producción.

Su tecnología ha visto aplicaciones en los sectores de defensa, aviación, construcción y energía, y enumeran una serie de estudios de caso que demuestran los beneficios del proceso sobre otros métodos. Son capaces de utilizar casi cualquier material imprimible 3D, desde plásticos hasta metales e incluso hormigón para aplicaciones variadas, e incluso ofrecen un servicio de suscripción para pedidos frecuentes.

El futuro de la robótica impresa en 3D

Una de las principales áreas que la robótica impresa en 3D podría revolucionar es la robótica de impresión 3D en la medicina. Hemos hablado antes de la impresión 3D médica, pero la robótica es un área nueva en esta industria con amplios beneficios.

Mientras que la impresión 3D se ha utilizado previamente en la construcción de prótesis, combinar esto con robótica podría permitir a los amputados tener extremidades robóticas conectadas a su sistema nervioso, lo que les permite moverse como si fueran una extremidad real.

Los primeros experimentos en manos protésicas robóticas blandas impresas en 3D, que se verían más realistas, han demostrado que son funcionales y ligeros, pero no están listos para manejar el rigor del uso regular, aunque las manos robóticas duras son cada vez más comunes, con brazos quirúrgicos robóticos similares a los utilizados en la fabricación.

Los cirujanos también están investigando la posibilidad de implantes quirúrgicos impresos en 3D con capacidades robóticas, que no sólo pueden ser impresos a medida para adaptarse a la anatomía de un paciente específico, sino también programados para adaptarse y adaptarse a la condición en evolución del paciente. Esto podría cambiar la forma en que tratamos las lesiones internas, los huesos rotos o incluso enfermedades como el cáncer.

Más ampliamente, la robótica también podría ayudar a «aumentar» el cuerpo humano y mejorar nuestras capacidades físicas. Los trajes corporales que mejoran la fuerza de elevación o movimiento podrían ayudar a los trabajadores de la construcción y los trabajadores con sus trabajos y prevenir el deterioro de sus cuerpos durante años de estrés, y mejorar la calidad de vida en años posteriores.

También se están haciendo diseños conceptuales para mejoras robóticas en la vista. Y todas estas nuevas tecnologías sólo se hacen prácticas o incluso posibles de imaginar por los beneficios proporcionados por la impresión 3D.

Si bien puede que no sea realista pensar que viviremos en una película de ciencia ficción en las próximas décadas, las formas en que la robótica de impresión 3D es y seguirá beneficiando nuestras vidas sólo se aplicarán con el tiempo.