Los ingenieros de Stanford diseñan una pinza robótica para limpiar los desechos espaciales

Universidad Stanford


IMAGEN: Esta imagen muestra la parte inferior de la pinza. Los cuadrados del adhesivo inspirado en gecko brillan cuando agarran un pedazo de vidrio que se ilumina de color púrpura. Ver más
Crédito: Kurt Hickman / Stanford News Service

En este momento, alrededor de 500,000 piezas de escombros hechos por el hombre revolotean alrededor del espacio, orbitando nuestro planeta a velocidades de hasta 17,500 millas por hora. Estos escombros representan una amenaza para los satélites, vehículos espaciales y astronautas a bordo de esos vehículos.
Lo que hace que el orden sea especialmente difícil es que los desechos existen en el espacio. Las ventosas no funcionan en el vacío. Las sustancias adhesivas tradicionales, como la cinta, son en gran medida inútiles porque los productos químicos de los que dependen no pueden soportar los cambios bruscos de temperatura. Los imanes solo funcionan con objetos que son magnéticos. La mayoría de las soluciones propuestas, incluidos los arpones de escombros, requieren o causan una interacción enérgica con los escombros, lo que podría empujar esos objetos en direcciones impredecibles e involuntarias.
Para enfrentar el desorden, investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA han diseñado un nuevo tipo de dispositivo robótico para agarrar y desechar los escombros, que aparece en la edición del 27 de junio de Science Robotics.
"Lo que hemos desarrollado es una pinza que utiliza adhesivos inspirados en geckos", dijo Mark Cutkosky, profesor de ingeniería mecánica y autor principal del artículo. "Es un resultado del trabajo que comenzamos hace unos 10 años en robots trepadores que usaban adhesivos inspirados en cómo los geckos se adhieren a las paredes".

El grupo probó sus pinzas y versiones más pequeñas en su laboratorio y en múltiples espacios experimentales de gravedad cero, incluida la Estación Espacial Internacional. Los resultados prometedores de esas primeras pruebas han llevado a los investigadores a preguntarse cómo les iría a sus pinzas fuera de la estación, un próximo paso probable.

"Hay muchas misiones que se beneficiarían de esto, como la reunión y el acoplamiento y la mitigación de desechos orbitales", dijo Aaron Parness, MS '06, PhD '10, líder del grupo Extreme Environment Robotics Group en JPL. "También podríamos eventualmente desarrollar un asistente de robot escalador que podría arrastrarse en la nave, hacer reparaciones, filmar y verificar defectos".
Creación de una pinza de gecko

Los adhesivos desarrollados por el laboratorio de Cutkosky se utilizaron anteriormente en robots trepadores e incluso en un sistema que permitía a los humanos escalar ciertas superficies. Se inspiraron en los geckos, que pueden trepar paredes porque sus pies tienen colgajos microscópicos que, cuando están en contacto total con una superficie, crean una fuerza de Van der Waals entre los pies y la superficie. Estas son fuerzas intermoleculares débiles que resultan de diferencias sutiles en las posiciones de los electrones en el exterior de las moléculas.
La pinza no es tan compleja como el pie de un gecko (las aletas del adhesivo miden alrededor de 40 micrómetros de diámetro mientras que un gecko tiene unos 200 nanómetros), pero el adhesivo inspirado en gecko funciona de manera muy parecida. Al igual que el pie de un gecko, solo es pegajoso si las aletas se empujan en una dirección específica, pero hacer que se pegue solo requiere un ligero empujón en la dirección correcta. Esta es una característica útil para los tipos de tareas que realizaría un agarrador espacial.

"Si entrara y tratara de colocar un adhesivo sensible a la presión sobre un objeto flotante, se alejaría", dijo Elliot Hawkes, MS '11, PhD '15, profesor asistente visitante de la Universidad de California, Santa Barbara y coautor del artículo. "En cambio, puedo tocar las almohadillas adhesivas con mucha suavidad contra un objeto flotante, apretar las almohadillas una contra la otra para que queden bloqueadas y luego puedo mover el objeto".
Las almohadillas se desbloquean con el mismo movimiento suave, creando muy poca fuerza contra el objeto.
La pinza que crearon los investigadores tiene una cuadrícula de cuadrados adhesivos en la parte frontal y brazos con tiras adhesivas finas que pueden desplegarse y moverse hacia la mitad del robot desde ambos lados, como si ofreciera un abrazo. La rejilla puede adherirse a objetos planos, como un panel solar, y los brazos pueden agarrar objetos curvos, como un cuerpo de cohete.

Uno de los mayores desafíos del trabajo fue asegurarse de que la carga en los adhesivos se distribuyera de manera uniforme, lo que los investigadores lograron al conectar los cuadrados pequeños a través de un sistema de poleas que también sirve para bloquear y desbloquear las almohadillas. Sin este sistema, la tensión desigual causaría que los cuadrados se despegaran uno por uno, hasta que la pinza completa se suelte. Este sistema de carga compartida también permite que la pinza trabaje en superficies con defectos que evitan que se peguen algunos de los cuadrados.
El grupo también diseñó la pinza para cambiar entre un estado relajado y rígido.

"Imaginando que está tratando de agarrar un objeto flotante, quiere conformarse con ese objeto mientras es lo más flexible posible, para no alejarlo", explicó Hao Jiang, un estudiante graduado en el laboratorio de Cutkosky. autor principal del artículo. "Después de agarrar, quieres que tu manipulación sea muy rígida, muy precisa, para que no sientas retrasos o holguras entre tu brazo y tu objeto".

Adhesivo de inspiración gecko en cero-G

El grupo probó primero la pinza en el laboratorio de Cutkosky. Midieron de cerca la cantidad de carga que podía manejar la pinza, lo que sucedió cuando se aplicaron diferentes fuerzas y pares de torsión y la cantidad de veces que se pudo atascar y despegar. A través de su asociación con JPL, los investigadores también probaron la pinza en entornos de gravedad cero.

En el Robodome de JPL, unieron pequeños brazos rectangulares con el adhesivo a un robot grande, luego colocaron ese robot modificado en un piso que se parecía a una mesa de hockey de aire gigante para simular un entorno 2D de gravedad cero. Luego intentaron que su robot se moviera por el suelo sin fricción y capturara y moviera un robot similar.

"Hicimos que un robot persiguiera al otro, lo atrapara y luego lo empujara hacia donde queríamos que fuera", dijo Hawkes. "Creo que definitivamente fue una revelación, para ver cómo un parche relativamente pequeño de nuestro adhesivo podría tirar alrededor de un robot de 300 kilogramos".
A continuación, Jiang y Parness tomaron un vuelo parabólico para probar la pinza en gravedad cero. Durante dos días, volaron una serie de 80 ascensos y inmersiones, que crearon una experiencia alterna de aproximadamente 20 segundos de 2G y 20 segundos de condiciones de cero G en la cabina. La pinza agarró con éxito y soltó un cubo y una gran pelota de playa con un toque tan suave que los objetos apenas se movieron cuando se soltaron.
Finalmente, el laboratorio de Parness desarrolló una pequeña pinza que subía en la Estación Espacial Internacional (ISS), donde probaron qué tan bien funcionaban las pinzas dentro de la estación.

Los siguientes pasos para el dispositivo de agarre consisten en prepararlo para realizar pruebas fuera de la estación espacial, incluida la creación de una versión hecha de materiales de mayor duración que puedan soportar altos niveles de radiación y temperaturas extremas. El prototipo actual está hecho de madera contrachapada cortada con láser e incluye bandas de goma, que se volverían frágiles en el espacio. Los investigadores tendrán que hacer algo más resistente para realizar pruebas fuera de la ISS, probablemente diseñados para unirse al extremo de un brazo de robot.

De vuelta en la Tierra, Cutkosky también espera que puedan fabricar grandes cantidades de adhesivo a un costo menor. Se imagina que algún día un adhesivo inspirado en gecko podría ser tan común como el velcro.