Un robot suave sin ataduras se arrastra a lo largo de un tronco de árbol en un entorno no estructurado. Está impulsado por cuatro actuadores suaves eléctricos de transición de fase de gas líquido que usan el agua como fluido de trabajo. Crédito: Diogo Fonseca
La actuación de cambio de fase se ha revivido para la era de robots blandos sin ataduras y impulsados eléctricamente. Nuestro equipo de la Universidad de Coimbra ha desarrollado un actuador suave de transición de fase diseñado para alimentar robots suaves eléctricos que requieren alta fuerza y precisión. Nuestra innovación aprovecha la transición de la fase de líquido a gas del agua para generar movimiento mecánico de una manera simple, escalable y notablemente poderosa.
A diferencia de los actuadores blandos tradicionales, que a menudo dependen de la neumática voluminosa, los materiales exóticos o los altos voltajes, nuestro diseño explota un proceso bien conocido: la ebullición. Usando un pequeño calentador incrustado, nuestro actuador transforma el agua en vapor, generando presión interna que impulsa el movimiento en estructuras suaves y flexibles. Como resultado, nuestro actuador puede operar a voltajes tan bajos como 24 V, entregar fuerzas superiores a 50 N y lograr tasas de presurización de hasta 100 kPa/s.
Nuestros hallazgos se publican en Nature Communications.
¿Por qué agua?
Los intentos pasados de actuadores de transición de fase han luchado con tasas de tensión lentas, degradación del rendimiento y diseños complejos. Nuestro equipo abordó estos desafíos centrándose en los fundamentos de ingeniería: selección de fluidos, transferencia de calor y control.
Elegimos el agua como nuestro fluido de trabajo para su seguridad, disponibilidad y eficiencia termodinámica. A través de un riguroso proceso de selección, demostramos que la entalpía relativamente alta de vaporización del agua, una vez vista como un inconveniente, en realidad podría servir como un punto de referencia de rendimiento confiable. El mayor requisito de energía simplemente significa que hay espacio para mejorar con alternativas de entalpía más bajas, siempre que se mantenga la seguridad.
En comparaciones directas, nuestros actuadores realizados con elastómeros de silicona y el agua superaron significativamente los diseños anteriores, logrando tasas de tensión de 16.6%/s mientras permanecieron robustos en más de mil ciclos de actuación.
Transición de fase de gas líquido Los actuadores suaves eléctricos usan agua como fluido de trabajo y están alimentados por un elemento de calentamiento flexible de tipo bobina. La tecnología integrada en sistemas robóticos suaves, incluida una mano biomimética impulsada por el cable y un robot cuadrúpedo alimentado por la transición de fase de gas líquido. Crédito: Robotics and AI Group en la Universidad de Coimbra
Los beneficios de la modularidad
En el corazón de nuestro diseño hay modularidad. Al separar la bobina de calentamiento, la cámara de fluido de trabajo y la estructura blanda externa, creamos un sistema flexible que se puede adaptar para varios tipos de movimiento: lineal, flexión o una combinación de ambos. Nuestro actuador lineal se basa en un diseño de McKibben, mientras que la versión de flexión sigue una geometría rápida de pneu-net (FPN).
Diseñamos nuestros actuadores utilizando materiales estándar y métodos de fabricación accesibles como la impresión y la fundición en 3D.
A pesar de su simplicidad, nuestro diseño incorpora principios de ingeniería sofisticados. Por ejemplo, resolvimos un problema importante presente en diseños anteriores: vibraciones mecánicas causadas por la ebullición subenfriada. Estas inestabilidades, derivadas de los desajustes termodinámicos dentro del actuador, se mitigaron utilizando algoritmos de control no lineales que mantienen un estado de ebullición estable.
En la naturaleza
¿Qué pueden hacer realmente estos actuadores de transición de fase de alta potencia? Para mostrar su potencial, desarrollamos tres prototipos:
Una mano biomimética, alimentada por tres actuadores lineales que permiten la manipulación de objetos suaves. Una pinza suave, que usa tres actuadores de flexión para recoger objetos de varias formas y pesas, incluidos los modelos de frutas. Y Bixo, un robot cuadrúpedo diseñado para escalar tubos y gatear por los troncos de los árboles.
El movimiento cíclico de Bixo (apasionante, tirando y liberación) se controla mediante calefacción y enfriamiento localizados de sus actuadores. Incluso con la limitación conocida del enfriamiento lento (es decir, despresurización lenta), logramos ciclos estables en tan solo 25 segundos.
Estos prototipos no solo demuestran viabilidad, sino que insinúan una nueva clase emergente de robots blandos: rentables, seguros y capaces de operar en entornos naturales sin bombas atadas o materiales peligrosos.
Diseño y vista explotada de los actuadores lineales y de flexión con el elemento de calefacción flexible. Los actuadores aplicados a Power Soft Robots: mano biomimética, pinza robótica suave y Bixo. Crédito: Robotics and AI Group en la Universidad de Coimbra
Hervir en el futuro
Mirando hacia el futuro, las mejoras potenciales incluyen la miniaturización (para mejorar la disipación de calor), la operación de mayor presión y los mecanismos de precarga avanzados. Sin embargo, incluso en su estado actual, nuestro diseño de actuador ofrece una base confiable para los investigadores que buscan construir robots blandos sin las complejidades de la neumática o los riesgos asociados con los sistemas de alto voltaje.
La conclusión? Con un poco de calor y algo de ingeniería innovadora, un tubo lleno de agua podría ser el actuador más poderoso que nunca haya considerado.
Esta historia es parte del diálogo de Science X, donde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre el diálogo de Science X y cómo participar.
Más información: D. Fonseca et al, actuadores de transición de fase impulsados eléctricamente para alimentar diseños de robots blandos, comunicaciones de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-59023-7
BIOS:
Diogo Fonseca es un estudiante de doctorado de la Universidad de Coimbra, Portugal, que se especializa en el desarrollo de actuadores suaves eléctricos y robots blandos móviles. Su investigación se centra en los métodos de transición de fase de gas líquido y abarca todas las etapas del desarrollo de robots blando, incluido el diseño, la fabricación y el control. Es miembro del Grupo Robotics y AI, que trabaja bajo la supervisión del profesor Pedro Neto. También está afiliado al Centro de Ingeniería Mecánica, Materiales y procesos (CEMMPRE), con sede en la misma institución.
Pedro Neto es profesor completo en el Departamento de Ingeniería Mecánica y coordinador del Grupo Robótica y AI en la Universidad de Coimbra. Se desempeñó como Vicepresidente de la Sociedad de Robótica Portuguesa, es miembro del Comité de Automatización de Fábrica de IEEE, editor asociado de revistas arbitrarias y miembro del comité científico de conferencias insignia. Sus intereses de investigación actuales incluyen interacción y colaboración humana-robot, aprendizaje automático, robots blandos y aplicaciones avanzadas de robots.
Cita: Cómo el vapor de agua está impulsando la próxima generación de robots blandos (2025, 11 de mayo) recuperado el 11 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-vapor-podering-gobots.html
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