Robots en miniatura con forma de serpiente redefinen los límites de la ingeniería

Las innovaciones en investigación revolucionan el mantenimiento y la reparación de equipos de alta tecnología

Chen Xuefeng (segundo desde la derecha) dirigió una discusión grupal con miembros del equipo el mes pasado en la Universidad Jiaotong en Xi'an, provincia de Shaanxi. CHINA DAILY

Con la finalización y puesta en marcha de proyectos como el Ferrocarril China-Laos y el Ferrocarril de Alta Velocidad Yakarta-Bandung en Indonesia, junto con los avances en aeronaves de gran tamaño y sistemas de motores aeronáuticos nacionales, el volumen de exportación de trenes de alta velocidad y piezas de aviones chinos ha aumentado gradualmente en los últimos años.

Como resultado, el mantenimiento de equipos de alta gama a través de la innovación se ha convertido en una prioridad para los investigadores chinos.

Un equipo dirigido por Chen Xuefeng, profesor de la Academia iHarbour de Equipos de Frontera, con sede en la Universidad Jiaotong en Xi'an, provincia de Shaanxi, ha desarrollado un robot biomimético con forma de serpiente que se prevé que revolucione las tareas de mantenimiento y reparación. La serpiente robot es capaz de realizar inspecciones automatizadas de daños en las palas sin desmontar equipos de precisión como motores de aviación, y puede realizar el mantenimiento de otros equipos de alta gama.

"En el pasado, inspeccionar un motor de aviación requería que varios técnicos trabajaran continuamente en espacios reducidos durante horas o que lo desmontaran por completo, lo cual era lento y agotador", afirmó Chen.

"Pero en el futuro, nuestros robots biomiméticos podrán realizar un mantenimiento mínimamente invasivo sin desmontar el motor. Podemos describirlo como 'cirugía industrial mínimamente invasiva'", añadió.

El verano pasado, el equipo de Chen desarrolló el Jumper BATE (Boundary Actuation Tunable Energy-barrier) del tamaño de un insecto, un robot en miniatura con una gran capacidad de salto. Este robot, de tan solo 15 milímetros de longitud, puede saltar 12,7 veces su longitud verticalmente y cubrir 20 veces su longitud horizontalmente. Gracias a su diseño compacto y flexible, el BATE Jumper tiene ventajas únicas en espacios confinados y entornos complejos, lo que lo hace extremadamente prometedor en campos como la exploración, la búsqueda y el rescate.

Un ingeniero de Robots y Automatización de SIASUN ajusta un robot biomimético con forma de serpiente en Shenyang, provincia de Liaoning. PAN YULONG/XINHUA

Aplicaciones complejas

Sin embargo, el equipo no se detuvo ahí. Se centraron en escenarios de aplicación más complejos en el campo de los robots flexibles de serpiente continua, en particular la inspección de motores aeronáuticos sin necesidad de desmontarlos.

"El interior de un motor es como un laberinto metálico", afirmó Yang Laihao, investigador asociado en el campo de los motores aeronáuticos de la Universidad Jiaotong en Xi'an.

"En espacios tan complejos y reducidos, los brazos robóticos rígidos tradicionales tienen dificultades, mientras que los robots flexibles de serpiente tienen un gran potencial gracias a su destreza superior y su adaptabilidad al entorno", añadió. Sin embargo, los diseños actuales de configuración de articulaciones presentan problemas como inestabilidad bajo compresión, bajo rendimiento torsional y capacidad de carga insuficiente. Además, bajo la influencia de factores como la gravedad y la fricción, el error de posicionamiento final de estos robots flexibles puede aumentar exponencialmente con la longitud, lo que sigue siendo un obstáculo importante para su aplicación práctica, añadió.

Para abordar estos desafíos, el equipo propuso varios diseños de articulaciones nuevos a partir de conceptos como las configuraciones híbridas de contacto asistido y activo-pasivo. Estos ayudaron a lograr una mejora de más de cien veces en la rigidez a la flexión, un aumento de veinte veces en la rigidez torsional y resolvieron problemas de inestabilidad.

Yang afirmó que ahora han logrado un modelado eficiente y de alta precisión de estos robots, con una eficiencia que alcanza el nivel de milisegundos y una precisión de posicionamiento repetida ahora milimétrica.

El equipo también ha desarrollado múltiples tipos de sistemas de robots para el mantenimiento de equipos de alta gama. Incluyen robots completamente activos con una relación longitud-diámetro superior a 80, y robots activos-pasivos que pueden extenderse varios metros. Estos se han validado en diversas aplicaciones de equipos de aviación.

"He visto a técnicos de inspección de motores de aviación subirse a entradas largas y estrechas para inspeccionar manualmente las grietas en las palas con linternas. Esto a menudo provoca lesiones en la columna lumbar, lo que requiere una rotación de trabajo cada seis meses", dijo Chen, citando estudios de campo.

Visitantes hacen fotos en la Conferencia Mundial de Robótica en Beijing, 2018. HUANG ZHENGWEI/PARA CHINA DAILY

Redefiniendo límites

Los robots serpiente y los robots miniatura desarrollados por el equipo están redefiniendo los límites de la exploración humana en espacios reducidos. También muestran ventajas únicas en escenarios como instalaciones de energía nuclear y tanques de combustible de aeronaves.

"En el campo de la medicina, existen robots quirúrgicos mínimamente invasivos", afirmó Chen. "Hemos introducido este concepto en el ámbito industrial, desarrollando robots para cirugía industrial mínimamente invasiva, promoviendo la innovación tecnológica y de modelos en el mantenimiento de equipos. En el futuro, esto se aplicará en las inspecciones de equipos de alta gama en energía nuclear y aeroespacial", añadió.

Como líder del equipo, la filosofía educativa de Chen refleja su innovador enfoque de investigación. Con franqueza, les dice a todos los nuevos estudiantes de doctorado que elegir un camino científico es, sin duda, adentrarse en el infierno y no es posible conciliar la vida laboral y personal.

Detrás de este estricto requisito se encuentra su profunda comprensión de la misión de la investigación científica. "Una universidad debería emprender tareas más pioneras", afirmó Chen. "Como Samuel C.C. Ting (el físico de renombre mundial) descubrió la partícula J (una nueva partícula subatómica), logrando resultados que podrían utilizarse en decenas o cientos de años, las universidades deberían liderar el camino".

"Me aseguro de que el proyecto de cada estudiante no quede obsoleto en 10 años", afirmó.

Esta filosofía ha dado resultados fructíferos. El sistema de monitorización y diagnóstico de energía eólica desarrollado por el equipo cubre ahora el 60 % de los parques eólicos del país, y su tecnología de detección temporizada de extremos de palas ha sido aclamada por sus homólogos internacionales como una "innovación sensacional".

En el ámbito de la gestión del estado de los motores aeronáuticos, los sistemas de monitorización y diagnóstico desarrollados por el equipo se han instalado en varios helicópteros.

Centro de innovación

La Academia iHarbour de Equipos de Frontera en Innovation Harbor es un centro de innovación. Chen Xuefeng recuerda con cariño el proceso de construcción: "Sin ningún tipo de apoyo financiero, los líderes universitarios construyeron rápidamente 1,69 millones de metros cuadrados de edificios y más de 5.000 viviendas en 2.000 hectáreas de tierras de cultivo, gracias a los diligentes esfuerzos del Puerto de Innovación Científica y Tecnológica del Oeste de China".

Este espíritu emprendedor se ejemplifica vívidamente en la nueva era y está profundamente arraigado en la ética de trabajo de Chen.

Chen afirmó que un tercio de la aviación del país y la mitad de sus operaciones aeroespaciales se encuentran en Xi'an. Cree que las profundas raíces de Shaanxi en los campos de la aviación y la aeroespacial ofrecen a su equipo ventajas únicas.

Con sede en la región occidental de China, el equipo de Chen ha alcanzado reconocimiento académico mundial. Según las bases de datos Scopus y SciVal de Elsevier, en los últimos cinco años, el equipo ha publicado más de 500 artículos sobre diagnóstico de fallos mecánicos, lo que lo convierte en el líder académico mundial en el campo, con más de 20.000 citas. Su investigación ha sido citada en patentes por importantes empresas como General Electric y Aero-Engine Corporation de China, ocupando el primer puesto mundial en influencia en este campo.

Actualmente, Innovation Harbor ha establecido institutos de investigación conjuntos con 230 empresas líderes, formando 88 consorcios de innovación de integración profunda.