Nuevas técnicas de nanofabricación 3D permiten crear robots miniaturizados

En la década de 1980, cuando se crearon los sistemas microelectromecánicos (MEMS), los ingenieros informáticos se entusiasmaron con la idea de que estos nuevos dispositivos, que combinan componentes eléctricos y mecánicos a escala microscópica, podrían utilizarse para construir robots en miniatura.

Casi 50 años después, los estudiantes de doctorado Steven Man y Sukjun Kim, junto a la profesora de Ingeniería Mecánica Sarah Bergbreiter, desarrollaron un proceso de impresión 3D para construir pequeños robots Delta llamados microDeltas. Los robots Delta a mayor escala (generalmente de dos a cuatro pies de altura) se utilizan para tareas de recogida, colocación y clasificación en manufactura, empaquetado y ensamblaje de electrónica. Los microDeltas, mucho más pequeños, tienen el potencial de aplicaciones en micromanipulación, microensamblaje, cirugías mínimamente invasivas y dispositivos hápticos portátiles.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Science Robotics.

Los métodos anteriores para fabricar mecanismos robóticos a estas escalas más pequeñas requerían ensamblaje manual y plegado de componentes microfabricados.

El equipo de Bergbreiter desarrolló un proceso de impresión 3D para microrobótica que utiliza la polimerización por dos fotones, una técnica avanzada de nanofabricación en la que un láser enfocado solidifica material fotosensible con una precisión extremadamente alta. Luego, se deposita una delgada capa de metal que permite la funcionalidad eléctrica para las complejas geometrías 3D y los actuadores sin necesidad de plegado o ensamblaje manual.

Los robots microDelta, que miden 1.4 mm y 0.7 mm de altura, son los robots Delta más pequeños y rápidos jamás demostrados. Al construir robots microDelta de diferentes tamaños, los investigadores pudieron probar las predicciones que los científicos hicieron hace casi 50 años. Como se esperaba, reducir el tamaño del robot mejoró la precisión a menos de un micrómetro, aumentó la velocidad operando a frecuencias superiores a 1 kHz y proporcionó suficiente potencia para lanzar un grano de sal, un proyectil que representa el 7.4% de la masa total del robot.

Bergbreiter comentó que Man avanzó rápidamente a través de ocho iteraciones del diseño de los robots microDelta. Este rápido desarrollo se debe al diseño e impresión 3D de estos robots, en contraste con los enfoques anteriores que podrían tardar semanas o meses en diseñar y fabricar.

"Me encanta lo rápido que Steven y Sukjun avanzaron en ocho iteraciones de estos diseños, y en el futuro, los estudiantes pueden continuar ese trabajo más fácilmente, lo que resultará en mejoras futuras".

Utilizando el modelo desarrollado en este trabajo, los estudiantes pueden mejorar aún más métricas deseadas como el ancho de banda, la precisión y el espacio de trabajo al cambiar los parámetros de diseño del robot, creando grandes arreglos de microDeltas o incluso agregando mejoras como sensores para operación en bucle cerrado.

Los miembros de la facultad del Instituto de Robótica Zeynep Temel y Oliver Kroemer ya están utilizando arreglos de robots Delta a mayor escala para manipulaciones complejas. Debido a que los robots microDelta son tan pequeños, arreglos densamente empaquetados de múltiples microDelta podrían permitir capacidades robóticas completamente nuevas a escalas pequeñas para retroalimentación háptica rica o tareas de micromanipulación previamente inviables.

"Eliminar la necesidad de ensamblaje tiene enormes beneficios en términos de fabricación rápida e iteración de diseño", afirmó Bergbreiter. "A gran escala, los investigadores pueden ensamblar robots a partir de motores y mecanismos que se pueden comprar en el mercado. No tenemos esa ventaja a estas escalas pequeñas, donde tanto hacer como conectar piezas diminutas es complicado. Ahí es donde este nuevo proceso de fabricación es increíblemente beneficioso".

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