Un fósil como amigo

Hacer que un robot con patas camine no es tan fácil como parece. La coordinación de la cinética de todas sus articulaciones para obtener movimientos fluidos, similares a los de un animal real, requiere ingeniería avanzada y una meticulosa observación de animales en movimiento. Pero ¿qué ocurre si no sabemos exactamente cuál es el aspecto o cómo se mueve el animal porque se extinguió hace 300 millones de años?

Esta es la historia del Orobates pabsti, un tetrápodo primitivo que vivió millones de años antes de que existieran los dinosaurios. Sus huesos fosilizados se encontraron en 2004 en lo que hoy en día es Alemania. Al excelente estado de conservación de los huesos fosilizados, casi completos y articulados, se le añaden las huellas fosilizadas que también se encontraron en la zona. Esto nos ha ayudado a ingenieros como yo, y a un fantástico equipo de biólogos (bajo la dirección de John Nyakatura en la Universidad Humboldt de Berlín), a reconstruir su locomoción utilizando un robot en el Laboratorio de Biorrobótica de la EPFL (en colaboración con Tomislav Horvat y Auke Ijspeert).

Pero ¿por qué es tan importante la locomoción del Orobates? El Orobates es el candidato perfecto para entender cómo evolucionaron los vertebrados (incluidos los humanos como nosotros). Estos animales representan la transición de un estilo de vida anfibio a los vertebrados terrestres capaces de poner huevos en tierra firme. En el árbol de la evolución, esto los coloca entre los anfibios y animales más evolucionados, donde se incluyen los reptiles, los pájaros y los mamíferos. La cuestión de si el Orobates podía caminar o no en tierra firme es un asunto crucial digno de investigación, por ejemplo, para arrojar luz sobre debates relacionados con el momento en que la tierra firme fue colonizada por los animales. Los experimentos de locomoción con animales vivos son difíciles, pero con un animal extinguido son, de hecho, imposibles. Necesitamos encontrar una manera de reconstruir la locomoción del Orobates de forma objetiva. Pensamos que una simulación por ordenador sería una buena herramienta para ello, pero la locomoción con patas es difícil de simular. Los impactos intermitentes de las patas contra el suelo, la fricción de contacto y la dinámica general del cuerpo del Orobates en movimiento requerían una verificación en el mundo real para poder validarse. Este es el motivo por el que reconstruimos el fósil del Orobates con un robot físico. Este robot es una versión a escala del fósil, con un tamaño que casi dobla el original. La distribución de la masa y otros parámetros dinámicos relevantes, como la velocidad a la que el robot debía moverse, se estudiaron a fondo para determinar su importancia a nivel de biología e ingeniería.

Mediante la construcción de este robot fuimos capaces de probar varias de las marchas que supuestamente ejecutaba el Orobates en vida. Observamos otros animales modernos cuya morfología era similar a la del Orobates, como la salamandra, el caimán, la iguana y el eslizón. Nos dimos cuenta de que las marchas difieren con la altura corporal, el rango de movimientos de la columna vertebral y las rotaciones de las patas durante el balanceo. Estas características crean un espacio en el que es posible comparar los datos de los animales vivos y las posibles marchas del robot. Probamos un número de marchas en este espacio para intentar encontrar la que presentase una mayor estabilidad y eficiencia energética, que utilizara modelos de fuerza similares a los de los animales vivos y que reprodujera con gran precisión las huellas encontradas. Descubrimos que las marchas que más probablemente utilizaba el Orobates para caminar eran muy similares a las del caimán. Esto sugería que su locomoción era bastante avanzada, a diferencia de lo que se pensaba de estos tetrápodos primitivos.

Prueba de campo en África

Las pruebas realizadas con el robot también fueron una experiencia fantástica. Parecía que estuviera vivo. Para controlar esta máquina era necesario resolver problemas de cinemática inversa y dinámica, así como coordinar el movimiento de las patas y la columna vertebral. Para obtener una locomoción fluida, el ordenador de a bordo del robot envía órdenes a los motores con índices de unas 100 veces por segundo. Los actuadores están accionados por un potente y eficiente motor DC de maxon. Utilizamos 28 actuadores, cinco para cada pata y ocho en la columna vertebral. Pocas veces un robot tan complejo y tan similar a un animal real se ha controlado para ejecutar todos estos movimientos diferentes.

Para crear el robot del Orobates aprovechamos nuestra experiencia en el diseño y el control de robots con postura extendida hacia los lados. Después estudiar la salamandra robótica Pleurobot (véase la revista «driven» del 2018), también nos inspiramos en las marchas y morfologías de los cocodrilos del Nilo y observamos a los lagartos para construir y probar en campo dos robots de este tipo. Trabajamos con la BBC en el rodaje de documentales sobre la vida salvaje en África. La serie de televisión «Spy in the Wild» presenta a nuestros robots rodeados de animales salvajes a orillas del río Nilo. Estos robots sobrevivieron dos intensas semanas de rodaje en condiciones ambientales extremas y nos proporcionaron nuevos conocimientos acerca del diseño robusto para escenarios complejos en el mundo real. Este es el caso de los robots K-Rock, diseñados para su uso durante catástrofes. Gracias a su postura tienen la capacidad de pasar por debajo de pasadizos estrechos y, debido a que son anfibios, pueden nadar y caminar en áreas inundadas y llenas de escombros y obstáculos.

El desarrollo de estos robots, primero con el Laboratorio de Biorrobótica de la EPFL y ahora con mi propia empresa privada KM-RoBoTa (parte del programa YEP de maxon y una de las startups en el Laboratorio de Innovación de maxon en Lausana), marca los estándares para el diseño robusto de robots de aspecto animal inspirados en animales reales y cuyas capacidades de movilidad tienen un gran potencial de uso en aplicaciones científicas o de ingeniería.

Actuadores para el futuro

Este tipo de avances en la robótica nos hace pensar acerca de los mecanismos de actuación que utilizamos actualmente. Con la tecnología actual podemos alcanzar gran velocidad, pero no podemos mover altas inercias con rapidez y eficiencia (lo que permitiría impactos, movimientos explosivos, etc.). Además, para incrementar el par utilizamos reductores, lo que afecta a la transparencia del control del movimiento, ya que la inercia y la fricción reducen el rango de funcionamiento del actuador. Las nuevas posibilidades para crear mejores actuadores a escalas diferentes a las de la robótica blanda, como actuadores propioceptivos de alta potencia, a menudo tienen la desventaja de disponer de sistemas periféricos voluminosos, lo que reduce la potencia y la densidad de par, o de necesitar una potencia elevada que desborda los requisitos de disipación.

Paso a paso, al igual que el robot Orobates caminó sobre sus huellas, estamos mejorando la tecnología de accionamiento. Pero aún estamos lejos de poder dotar a nuestros robots de capacidades similares a las de los animales, como sería nuestro deseo, al menos en lo que respecta a los músculos animales. La próxima década nos depara un largo y emocionante camino de desarrollo que merece la pena recorrer para el diseño de actuadores y robots.

Kamilo Melo

Bibliografía

John A. Nyakatura*, Kamilo Melo*, Tomislav Horvat*, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer und Auke J. Ijspeert. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355; 2019. * Contribuciones de los autores con los mismos derechos

DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2

El autor, Kamilo Melo, creció en Duitama y Bogotá (Colombia) y vive ahora en Renens, Vaud. Estudió ingeniería eléctrica y mecánica y obtuvo un PhD en robótica. Después de trabajar como investigador posdoctoral en la EPFL de Lausana, ahora trabaja e investiga en su propia empresa de robótica KM-RoBoTa.