La llegada de los robots trajo consigo un legado que se originó con la Revolución Industrial. Desde la introducción del primer robot industrial en la década de 1950, la robótica ha experimentado varias décadas de evolución. Desde entonces, estas máquinas convencionales han permeado casi todas las industrias, y la innovación de los robots blandos ha cambiado las reglas del juego.
Los robots blandos están compuestos de materiales compatibles y se centran en tecnologías que se parecen más a las características físicas de los organismos vivos. Las máquinas se están transformando en humanoides capaces de realizar tareas similares a las humanas. Sin embargo, el diseño de cada robot depende en última instancia de su finalidad.
La robótica se ha convertido en un campo verdaderamente multidisciplinario que implica una intrincada fusión de componentes, que forman una entidad funcional. Entre las consideraciones clave que desafían a los desarrolladores está cómo crear un robot confiable y eficiente que pueda hacer más. La elección de los materiales de construcción a la hora de crear un robot es un factor fundamental que influye profundamente en la durabilidad general del producto final.
Como cada robot tiene un propósito, diseño y entorno de trabajo únicos, en su desarrollo se utilizan diferentes tipos y materiales. La durabilidad y la precisión son esenciales. Por ejemplo, un robot industrial debe navegar y procesar materiales sin sufrir daños ni fallos. Un rover debe mantener una movilidad eficiente mientras soporta climas hostiles.
Los robots humanoides y bioinspirados deben maniobrar sin caerse, dejar caer objetos ni chocar con otras personas. En robótica biomédica, el movimiento debe ser preciso sin poner en riesgo al sujeto. Simplemente no hay margen de error.
Los materiales de construcción utilizados para construir cada robot se seleccionan de acuerdo con su propósito previsto y los requisitos de diseño específicos. Cada material tiene propiedades físicas, químicas y mecánicas únicas.
En este artículo, cubriremos algunos materiales de construcción utilizados para fabricar robots, incluidos los robots convencionales y blandos.
Rieles
Los primeros robots presentados al mundo fueron robots industriales y los metales eran el material ideal para construir estas máquinas. Aunque no todos los metales son adecuados. Algunos son más asequibles y tienen propiedades mecánicas y químicas ideales para el trabajo.
El acero es el material más común y menos costoso para construir robots. Está disponible fácilmente, es resistente pero liviano y fácil de diseñar. Las propiedades del acero se pueden personalizar mediante varios procesos para cumplir con los requisitos de un robot específico. Por ejemplo, el acero al carbono sin endurecer puede soportar una presión de 30.000 a 50.000 PSI. Se puede endurecer a 100.000 PSI para fines estructurales y hasta 300.000 PSI para fabricación de herramientas.
El acero también se puede moldear de diversas formas, normalmente mediante endurecimiento por tratamiento térmico. Con un punto de fusión de 1400˚C, el cuerpo de acero de un robot puede soportar la mayoría de los entornos. Las láminas de acero se pueden cortar, doblar o unir fácilmente mediante soldadura o procesos de baja temperatura como la soldadura fuerte.
El acero es sostenible y es el material más reciclado del planeta.
El aluminio es otro metal popular utilizado en la construcción de robots. Es tan fuerte como el acero, pero tres veces más ligero. Al igual que el acero, es inoxidable y no magnético. Se corroe en condiciones húmedas o húmedas, pero se puede proteger fácilmente con una capa de óxido de aluminio.
Las aleaciones de aluminio se utilizan habitualmente para los robots. El aluminio puede soportar entre 10.000 y 40.000 PSI y fundirse a una temperatura de 600 a 660 ˚C. En comparación con el acero, es mucho más fácil mecanizar láminas de aluminio. Aunque no es posible soldar aluminio, se pueden utilizar técnicas especiales para soldar piezas de aluminio.
A menudo, las piezas de aluminio se montan mediante sujetadores roscados. Una desventaja de utilizar aluminio como material de construcción para robots es su costo, que normalmente aumenta a medida que disminuye el tamaño de la pieza.
El cobre, el latón y el bronce son metales que se utilizan para aplicaciones específicas en robótica. A menudo, sus aleaciones se utilizan con fines estructurales. Las aleaciones de estos metales ofrecen una resistencia de 25.000 a 60.000 PSI. El bronce y el latón tienen una temperatura de fusión de 900 ˚C y el cobre tiene una temperatura de fusión de 1080 ˚C.
Al igual que el acero y el aluminio, estos metales son resistentes a la corrosión y no son magnéticos. También es fácil cortar y dar forma a estos metales. El latón se utiliza a menudo para los rodamientos, mientras que el cobre se utiliza cuando se requiere conductividad. Al igual que el aluminio, no es posible soldar cobre, latón o aleaciones de bronce, por lo que se ensamblan con fijaciones roscadas.
El acero inoxidable (SS) es el material estructural elegido por los robots cuando la resistencia a la corrosión es esencial. SS tiene la misma fuerza y resistencia a la temperatura que el acero al carbono. El acero inoxidable está compuesto por acero obtenido añadiendo un alto porcentaje de níquel y cromo y elementos como el vanadio o el molibdeno. Por esta razón, las propiedades magnéticas del SS pueden cambiar durante la flexión. Por ejemplo, un SS no magnético puede convertirse en magnético cuando se dobla o deforma.
En comparación con otros materiales, mecanizar SS para piezas robóticas resulta más complicado. Se requieren técnicas de soldadura especiales para unir las piezas y las láminas están sujetas a romperse o astillarse durante el corte.
El titanio se utiliza para construir robots biomédicos, ya que es un material bioinerte. Las aleaciones de titanio ofrecen una resistencia de hasta 150.000 PSI, con una temperatura de fusión de 1.670˚C. Al ser un material liviano, resistente a la corrosión y de alta resistencia, también se utiliza en diversas aplicaciones aeroespaciales. Una desventaja de las aleaciones de titanio es su naturaleza inflamable. El titanio también es caro y bastante difícil de mecanizar.
El zinc, el plomo y el magnesio son otros metales utilizados para construir piezas robóticas. El zinc se utiliza a menudo como material estructural en robots recreativos. El zinc tiene resistencia a bajas temperaturas y baja resistencia mecánica, a pesar de ser tan pesado como el acero. Pero es barato, por lo que a menudo se utiliza para construir robots y juguetes robóticos de baja gama o bajo costo. El magnesio ofrece baja resistencia a la corrosión y es caro, pero a veces se utiliza en robots como material estructural cuando es esencial un diseño ligero.
Plástica
Aunque los plásticos no pueden competir con los metales en términos de resistencia y dureza, ofrecen características únicas como material de construcción para robots. La mayoría de los plásticos sólo pueden soportar entre 3000 y 12 000 PSI y una temperatura de hasta 100 ˚C. Sin embargo, son livianos, flexibles, resistentes a la corrosión, impermeables y químicamente no reactivos a la mayoría de los ácidos y bases.
También son fáciles de moldear, dar forma y mecanizar, lo que permite la producción de piezas con formas únicas. Por ejemplo, ciertos plásticos pueden garantizar una mayor flexibilidad para la maniobrabilidad en robots humanoides y bioinspirados. La transparencia es otra propiedad única que sólo ofrecen los plásticos.
Es más probable que los plásticos se utilicen en robots de interior que requieren poca exposición al calor o tareas mecánicamente intensivas. Esto se debe a que la mayoría de los materiales plásticos son propensos a la fotodegradación por los rayos UV y tienen baja resistencia al calor. Se utilizan principalmente polímeros, pero a veces monómeros.
Repasemos algunos de los plásticos más comunes utilizados como materiales estructurales en robots.
El policarbonato es el plástico más utilizado en la construcción de robots. Es prácticamente indestructible, con una potencia de 10.000 PSI. Se puede deformar completamente (100%) sin romperse. El policarbonato es bien conocido por su uso en la fabricación de ventanas a prueba de balas. No reacciona con la mayoría de los ácidos, bases y aceites. También es fácil de mecanizar con pocos ajustes. Las piezas de robot construidas con policarbonato a menudo se unen mediante pegamento.
El plástico ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) es conocido por ser rígido pero no quebradizo. El ABS puede soportar presiones de hasta 5000 PSI y tolerar temperaturas de -40˚ a 80˚C. Puede deformarse hasta un 20% antes de romperse. El copolímero ofrece características mejoradas de tres monómeros combinados.
El PVC (cloruro de polivinilo) tiene propiedades similares al plástico ABS. Es fuerte, rígido y puede soportar hasta 7000 PSI. También se puede deformar entre un 10 y un 20% sin romperse, lo que hace que sea bastante fácil de moldear o mecanizar en diferentes formas. El PVC también es muy duradero y resistente a los impactos, pero puede volverse quebradizo. Las piezas de PVC para robots se pueden ensamblar fácilmente con pegamento o sujetadores. Este plástico se utiliza normalmente en fontanería (y ahora en robots) porque es duradero y económico.
El nailon es un plástico de poliamida sintética. El nailon sólido, que suele utilizarse como tela, es útil para estructuras robóticas y, a menudo, se utiliza como material para engranajes. El nailon tiene una alta resistencia a la tracción y puede soportar presiones de hasta 12.000 PSI. Es flexible, pero puede romperse si se somete a tensiones repetidas. La principal ventaja del nailon es su bajo coste, lo que lo convierte en una buena alternativa a metales como el aluminio. A diferencia de otros plásticos, no es posible pegar las piezas de nailon; a menudo se ensamblan mediante sujetadores roscados.
Composicion
Un compuesto es un material que contiene dos o más sustancias más simples con propiedades diferentes. Cuando se combinan como un compuesto, los materiales exhiben propiedades que no están disponibles individualmente. Varios materiales entran en esta categoría. Algunos de los compuestos comúnmente utilizados con fines estructurales en robótica incluyen fibra de carbono, Kevlar, madera, fibra de vidrio y plásticos rellenos de vidrio.
Madera
La madera puede parecer un material extraño para estructuras robóticas, pero en aplicaciones de ingeniería se utilizan varias especies de madera. La madera es más robusta que el plástico. Muchos tipos de madera tienen una relación rigidez-peso comparable a la del acero y el aluminio. La madera es dura, fuerte, un buen aislante y resistente al calor, lo que la convierte en una opción ideal para algunas aplicaciones robóticas. Una desventaja es su fragilidad. Cualquier fuerza aplicada perpendicularmente a su fibra puede romperlo.
Fibra de carbono
La fibra de carbono se refiere a varios compuestos de carbono formados generalmente mezclando átomos de carbono en resinas plásticas. Este material de bajo costo es muy duradero y exhibe una resistencia a la tracción de 300 000 a 600 000 PSI. Su resistencia a la temperatura depende de las resinas plásticas utilizadas para formar la fibra de carbono.
La mayoría de los composites con resinas epoxi estándar pueden soportar temperaturas de 150˚ a 200˚C. Los compuestos de fibra de carbono con resinas fenólicas o de poliamida pueden soportar temperaturas superiores a 300˚C. En ambientes con poco oxígeno, este material puede tolerar temperaturas de hasta 400˚ a 500˚C.
Aunque los compuestos de fibra de carbono pueden soportar fácilmente picos rápidos de temperatura, pueden degradarse con la exposición continua al calor. En general, este material es ligero, fuerte, rígido, resistente al calor y químicamente no reactivo. El único inconveniente es la peligrosa fabricación y manipulación de la fibra de carbono. Puede resultar extremadamente peligroso mecanizar fibra de carbono sin el equipo de protección adecuado.
Cerámica
La cerámica rara vez es el material ideal para estructuras robóticas debido a su naturaleza frágil. Sin embargo, algunas cerámicas de alta tecnología son más resistentes y menos quebradizas que las cerámicas convencionales. Aunque estas cerámicas de alta tecnología no son tan fuertes y resistentes como los metales, son muy resistentes al desgaste y son buenos aislantes.
Elastómeros
Los elastómeros son materiales de caucho que recuperan su forma después de la deformación. En robótica se utilizan dos tipos: caucho polimérico con estructura de carbono y caucho polimérico con estructura de silicio. Las partes metálicas de los robots normalmente no pueden realizar tareas con flexibilidad. La incorporación de caucho en las articulaciones de un robot y otras partes móviles las hace menos rígidas y más flexibles. El caucho también añade textura a los brazos robóticos.
Las piezas de goma se utilizan a menudo en cobots que comparten un espacio de trabajo con humanos. Las piezas de caucho también se utilizan habitualmente en los robots de recogida y colocación. Una desventaja de utilizar caucho en estructuras robóticas es su baja resistencia al calor. Por eso, en muchas circunstancias, las piezas de goma expuestas de un robot están protegidas por una cubierta protectora.
Plásticos biodegradables
La I+D en bioplásticos se encuentra todavía en una fase inicial. Se trata de una iniciativa positiva en el desarrollo de robots respetuosos con el medio ambiente. Los plásticos biodegradables se producen a partir de residuos de alimentos. Al ser materiales biodegradables, se degradan en determinadas circunstancias. Estos materiales se utilizan normalmente para construir robots que no requieren ningún uso posterior después de completar una tarea y, a menudo, se desintegran de forma independiente sin esfuerzo externo. Pero los bioplásticos también se utilizan como material en pieles de robots, y algunos son lo suficientemente resistentes como para fabricar piezas internas.
Materiales de construcción para robots livianos
Los robots blandos suelen estar diseñados con materiales inteligentes y multifuncionales. Estos incluyen bioplásticos, tejidos, geles, elastómeros, caucho natural, caucho sintético, siliconas y compuestos blandos. Técnicas especiales como la fabricación aditiva o la impresión 3D, la impresión 4D y el moldeo por fundición fabrican robots blandos.
Conclusión
Cada robot es único en términos de propósito, tareas esperadas, entorno de trabajo y diseño. Por eso se utilizan tantos materiales diferentes para construirlos. Hay muchas circunstancias en las que más de un material puede ser adecuado. Sin embargo, los materiales deben elegirse únicamente en función de los requisitos y el propósito del diseño del robot.
La mayoría de los robots industriales actuales se construyen a partir de metales y aleaciones metálicas. Los plásticos son una opción para robots livianos, de interior y de bajo costo. Compuestos como fibra de carbono y Kevlar, así como cerámica, bioplásticos y caucho, se suelen utilizar para piezas específicas o estructuras robóticas únicas.
