Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

La naturaleza ha dominado durante mucho tiempo el arte de moverse entre mundos. Insectos como los zapateros de agua y los escarabajos de la rueda pueden correr sobre la superficie de un estanque y luego trepar por una orilla lodosa, todo sin cambiar sus patas ni su método de movimiento. Utilizan las mismas extremidades para empujar contra el agua y para empujar contra el suelo, confiando en la física de su entorno para realizar el trabajo pesado. Para los ingenieros que intentan construir máquinas diminutas que puedan hacer lo mismo, este truco biológico ha sido un rompecabezas persistente. Crear un robot lo suficientemente pequeño como para caber en un bolsillo —específicamente, uno de menos de cinco centímetros de largo— es ya de por sí difícil. Hacer que esa misma máquina se mueva rápida y ágilmente tanto en tierra seca como en la superficie del agua, mientras transporta su propia batería y cerebro, ha parecido casi imposible. El desafío radica en el hecho de que la tierra y el agua exigen tipos de movimiento muy diferentes; lo que funciona para correr sobre la tierra a menudo falla al nadar, y viceversa. Por lo general, resolver esto requiere máquinas complejas con múltiples juegos de partes móviles, que son demasiado pesadas y voluminosas para caber en un armazón del tamaño de un insecto.

Un equipo de investigadores ha desarrollado ahora una solución que desafía esta compensación. Han creado un robot anfibio de escala de insecto, no conectado por cables, que mide solo 2,1 centímetros y pesa solo 1,69 gramos. Esta diminuta máquina puede desplazarse rápidamente por el suelo y deslizarse por la superficie del agua con una velocidad notable, todo ello transportando su propia fuente de energía y un sistema de control inalámbrico. El secreto de su éxito es un patrón de movimiento único y astuto que funciona en ambos entornos. En lugar de utilizar diferentes patas para nadar y correr, el robot utiliza un único juego de actuadores para accionar un par de extremidades que actan tanto como pata de carrera como pala de natación. Al hacer vibrar estas extremidades con un ritmo específico y asimétrico, el robot genera movimiento hacia adelante en la tierra y en el agua sin necesidad de cambiar su hardware o su marcha.

El diseño del robot se inspira en la forma en que nadan los escarabajos de la rueda. Estos escarabajos tienen patas que se extienden ampliamente cuando empujan hacia atrás para agarrar el agua, pero que se pliegan apretadas cuando oscilan hacia adelante para reducir la resistencia. Los investigadores imitaron este comportamiento con una pala de natación unida a la pata delantera del robot. Esta pala está conectada por una bisagra especial que permite que oscile libremente en una dirección, pero que se bloquee en la otra. Cuando el robot vibra, la pala oscila ampliamente durante la brazada de potencia para empujar contra el agua, creando un fuerte impulso hacia adelante. En la brazada de retorno, la pala se pliega, cortando el agua con una resistencia mínima. Esto crea un empuje neto que impulsa al robot hacia adelante. En tierra, el mismo patrón de vibración funciona de manera diferente. El cuerpo del robot está ligeramente inclinado, de modo que cuando la pata oscila hacia atrás, golpea el suelo con fuerza para empujar al robot hacia adelante. Cuando oscila hacia adelante, se eleva ligeramente en el aire, evitando la fricción. Este movimiento simple y unidireccional permite al robot correr y nadar utilizando exactamente la misma configuración mecánica.

Para demostrar que este concepto funciona en el mundo real, el equipo construyó un prototipo y lo probó en un entorno controlado. Equiparon al robot con una pequeña batería de litio y un circuito de control inalámbrico, haciéndolo completamente autónomo. En las pruebas sobre una superficie de plástico, el robot alcanzó una velocidad máxima de 32,5 centímetros por segundo, lo que es aproximadamente 15,5 veces su propia longitud corporal cada segundo. En el agua, alcanzó los 11,3 centímetros por segundo, o 5,4 longitudes corporales por segundo. Estas velocidades son significativamente más rápidas que las de cualquier otro robot no conectado de este tamaño jamás logrado. El robot también demostró una agilidad impresionante, capaz de girar en el suelo a una tasa de 760 grados por segundo y girar en el agua a 450 grados por segundo. Podía navegar alrededor de obstáculos flotantes, apartar escombros ligeros e incluso subir una pendiente suave para pasar del agua a la tierra y viceversa.

Los investigadores no se limitaron a los ensayos y errores; utilizaron modelos informáticos para comprender exactamente cómo se movía el robot. Descubrieron que la velocidad del robot depende en gran medida de la frecuencia de sus vibraciones. Cuando la frecuencia de vibración coincide con la resonancia natural de la estructura del robot, el movimiento se vuelve más eficiente, generando la máxima velocidad posible. También descubrieron que el tamaño de la pala de natación y la rigidez de su bisagra eran factores críticos. Si la pala era demasiado grande o la bisagra demasiado rígida, el robot no podía moverse tan rápido. Al ajustar estos detalles, optimizaron el diseño para asegurar que funcionara en su punto máximo. El estudio confirma que es posible crear una máquina que sea tanto increíblemente pequeña como increíblemente rápida, siempre que utilice una estrategia de movimiento que respete la física tanto del aire como del agua.

Este logro marca un paso significativo en el campo de la microrobótica. Hasta ahora, la mayoría de los robots diminutos que podían moverse en tierra y agua eran demasiado lentos, demasiado grandes o requerían un cable para suministrar energía. Este nuevo robot demuestra que un mecanismo único y simple puede manejar las demandas complejas de dos mundos diferentes. Abre la puerta a futuras máquinas que podrían explorar zonas de desastre, buscar supervivientes en áreas inundadas o monitorear ecosistemas delicados sin perturbarlos. Los investigadores señalaron que, si bien su robot actual funciona bien en superficies lisas, las versiones futuras deberán adaptarse a terrenos más rugosos como la arena o la hierba. También planean añadir sensores visuales para que el robot pueda navegar por sí mismo sin control humano. Por ahora, sin embargo, la demostración de un robot de 2,1 centímetros que corre y nada a altas velocidades constituye una prueba clara de que los trucos de la naturaleza pueden traducirse con éxito a la ingeniería, creando máquinas que son tan ágiles como los insectos que las inspiraron.