A principios de este año, un robot completó una media maratón en Pekín en poco menos de 2 horas y 40 minutos. Eso es más lento que el ganador humano, que logró un tiempo de poco más de una hora, pero aun así es una hazaña notable. Muchos corredores aficionados estarían orgullosos de ese tiempo. El robot mantuvo su ritmo durante más de 21 kilómetros.
Pero no lo hizo con una sola carga. Durante el recorrido, tuvo que detenerse para cambiar sus baterías tres veces. Ese detalle, aunque fácil de pasar por alto, dice mucho sobre un desafío más profundo en la robótica: la energía.
Los robots modernos pueden moverse con una agilidad increíble, imitando la locomoción animal y ejecutando tareas complejas con precisión mecánica. En muchos sentidos, rivalizan con la biología en coordinación y eficiencia. Pero en cuanto a resistencia, los robots siguen quedándose cortos. No se cansan por el esfuerzo, simplemente se quedan sin energía.
Como investigador en robótica especializado en sistemas energéticos, estudio este desafío con atención. ¿Cómo pueden los investigadores dotar a los robots de la resistencia de los seres vivos y por qué aún estamos tan lejos de ese objetivo? Si bien la mayor parte de la investigación robótica sobre el problema energético se ha centrado en mejores baterías, existe otra posibilidad: construir robots que coman.
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Los robots se mueven bien, pero se quedan sin energía
Los robots modernos son extraordinariamente buenos para moverse. Gracias a décadas de investigación en biomecánica, control y actuación de motores, máquinas como Spot y Atlas de Boston Dynamics pueden caminar, correr y trepar con una agilidad que antes parecía inalcanzable. En algunos casos, sus motores son incluso más eficientes que los músculos animales.
Pero la resistencia es otra cuestión. Spot, por ejemplo, puede funcionar solo 90 minutos con una carga completa. Después, necesita casi una hora para recargarse. Estos tiempos de funcionamiento distan mucho de los turnos de ocho a doce horas que se esperan de los trabajadores humanos, o de la resistencia de varios días de los perros de trineo.
El problema no es cómo se mueven los robots, sino cómo almacenan energía. La mayoría de los robots móviles actuales utilizan baterías de iones de litio, del mismo tipo que se encuentra en los teléfonos inteligentes y los coches eléctricos. Estas baterías son fiables y están ampliamente disponibles, pero su rendimiento mejora a un ritmo lento: cada año, las nuevas baterías de iones de litio son aproximadamente un 7% mejores que las de la generación anterior. A ese ritmo, se necesitaría una década entera para duplicar la autonomía de un robot.
Los animales almacenan energía en la grasa, que tiene una densidad energética extraordinaria: casi 9 kilovatios-hora por kilogramo. Esto equivale a un total de unos 68 kWh en un perro de trineo, similar a la energía de un Tesla Model 3 completamente cargado. Las baterías de iones de litio, en cambio, almacenan solo una fracción de esa cantidad, unos 0,25 kilovatios-hora por kilogramo. Incluso con motores de alta eficiencia, un robot como Spot necesitaría una batería decenas de veces más potente que la actual para igualar la resistencia de un perro de trineo.
Y recargarla no siempre es una opción. En zonas de desastre, campos remotos o misiones de larga duración, es posible que no haya un enchufe ni una batería de repuesto a la vista.
En algunos casos, los diseñadores de robots pueden añadir más baterías. Sin embargo, más baterías implican mayor peso, lo que incrementa la energía necesaria para moverse. En robots de alta movilidad, existe un delicado equilibrio entre carga útil, rendimiento y resistencia. En el caso de Spot, por ejemplo, la batería ya representa el 16% de su peso.
Algunos robots han utilizado paneles solares, lo que, en teoría, podría prolongar su autonomía, especialmente para tareas de bajo consumo o en entornos soleados y brillantes. Sin embargo, en la práctica, la energía solar proporciona muy poca energía en comparación con la que necesitan los robots móviles para caminar, correr o volar a velocidades prácticas. Por ello, la recolección de energía, como los paneles solares, sigue siendo una solución de nicho hoy en día, más adecuada para robots estacionarios o de consumo ultrabajo.
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Los robots se quedan sin energía antes de terminar su trabajo
Un robot de rescate con una batería de 45 minutos podría no durar lo suficiente para completar una búsqueda. Un robot agrícola que se detiene para recargarse cada hora no puede cosechar los cultivos a tiempo. Incluso en almacenes u hospitales, los tiempos de funcionamiento cortos añaden complejidad y coste.
Para que los robots desempeñen un papel significativo en la sociedad, ayudando a las personas mayores, explorando entornos peligrosos y trabajando junto a los humanos, necesitan la resistencia necesaria para mantenerse activos durante horas, no minutos.
Las nuevas composiciones químicas de baterías, como las de litio-azufre y metal-aire, ofrecen un camino más prometedor. Estos sistemas tienen densidades energéticas teóricas mucho más altas que las celdas de iones de litio actuales.
Algunas se acercan a los niveles observados en la grasa animal. Al combinarse con actuadores que convierten eficientemente la energía eléctrica de la batería en trabajo mecánico, podrían permitir que los robots igualen o incluso superen la resistencia de los animales con baja grasa corporal. Pero incluso estas baterías de nueva generación tienen limitaciones.
Muchas son difíciles de recargar, se degradan con el tiempo o enfrentan obstáculos de ingeniería en sistemas del mundo real. La carga rápida puede ayudar a reducir el tiempo de inactividad. Algunas baterías emergentes pueden recargarse en minutos en lugar de horas. Sin embargo, existen desventajas.
La carga rápida sobrecarga la vida útil de la batería, aumenta el calor y, a menudo, requiere una infraestructura de carga pesada y de alta potencia. Incluso con mejoras, un robot de carga rápida aún necesita detenerse con frecuencia.
En entornos sin acceso a la red eléctrica, esto no resuelve el problema principal de la energía a bordo limitada. Por eso, los investigadores están explorando alternativas como “reabastecer” robots con combustibles metálicos o químicos, de forma similar a como comen los animales, para superar por completo los límites de la carga eléctrica.
Una alternativa: Metabolismo robótico
En la naturaleza, los animales no se recargan, comen. Los alimentos se convierten en energía mediante la digestión, la circulación y la respiración. La grasa almacena esa energía, la sangre la transporta y los músculos la utilizan. Los robots del futuro podrían seguir un modelo similar con metabolismos sintéticos.
Algunos investigadores están construyendo sistemas que permiten a los robots “digerir” combustibles metálicos o químicos y respirar oxígeno. Por ejemplo, reactores químicos sintéticos, similares a estómagos, podrían convertir materiales de alta energía como el aluminio en electricidad.
Esto se basa en los numerosos avances en la autonomía robótica, donde los robots pueden detectar objetos en una habitación y navegar para recogerlos, pero en este caso estarían recogiendo fuentes de energía.
Otros investigadores están desarrollando sistemas de energía basados en fluidos que circulan como la sangre. Un ejemplo temprano, un pez robótico, triplicó su densidad energética al utilizar un fluido multifuncional en lugar de una batería de iones de litio estándar. Ese único cambio de diseño generó el equivalente a 16 años de mejoras en las baterías, no mediante una nueva química, sino mediante un enfoque más bioinspirado. Estos sistemas podrían permitir que los robots funcionen durante periodos de tiempo mucho más largos, extrayendo energía de materiales que almacenan mucha más energía que las baterías actuales.
En los animales, el sistema energético hace más que simplemente proporcionar energía. La sangre ayuda a regular la temperatura, liberar hormonas, combatir infecciones y reparar heridas. Los metabolismos sintéticos podrían hacer lo mismo. Los robots del futuro podrían gestionar el calor mediante fluidos circulantes o curarse a sí mismos utilizando materiales almacenados o digeridos. En lugar de una batería central, la energía podría almacenarse en todo el cuerpo, en extremidades, articulaciones y componentes blandos similares a tejidos.
Este enfoque podría dar lugar a máquinas no solo más duraderas, sino también más adaptables, resilientes y realistas.
Con información de The Conversation.
