Los brazos del pulpo coordinan grados de libertad casi infinitos para realizar movimientos complejos como alcanzar, agarrar, ir a buscar, gatear y nadar. Cómo estos animales logran una gama tan amplia de actividades sigue siendo una fuente de misterio, asombro e inspiración. Parte del desafío proviene de la intrincada organización y biomecánica de los músculos internos.

Este problema se abordó en un proyecto multidisciplinario dirigido por Prashant Mehta y Mattia Gazzola, profesores de ingeniería y ciencias mecánicas en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Como se informó en Proceedings of the Royal Society A, los dos investigadores y sus grupos han desarrollado un modelo fisiológicamente preciso de los músculos del brazo del pulpo. « Nuestro modelo, el primero de su tipo, no solo proporciona información sobre el problema biológico, sino también un marco para el diseño y control de robots blandos en el futuro », dijo Mehta.

Las impresionantes capacidades de los brazos de pulpo han servido durante mucho tiempo como inspiración para el diseño y control de robots blandos. Dichos robots blandos tienen el potencial de realizar tareas complejas en entornos no estructurados mientras operan de manera segura con humanos, con aplicaciones que van desde la agricultura hasta la cirugía.

El estudiante graduado Heng-Sheng Chang, autor principal del estudio, explicó que los sistemas de cuerpo blando, como los brazos de los pulpos, presentan un gran desafío de modelado y control. « Son impulsados ​​por tres grandes grupos de músculos internos (longitudinales, transversales y oblicuos) que hacen que el brazo se deforme de varios modos: cizallamiento, extensión, flexión y torsión », dijo. « Esto dota a los brazos musculosos suaves con una libertad significativa, a diferencia de sus contrapartes rígidas ».

La idea clave del equipo fue expresar la musculatura del brazo mediante una función de energía almacenada, un concepto tomado de la teoría de la mecánica continua. El académico postdoctoral y autor correspondiente Udit Halder explicó que « el brazo descansa en el mínimo de un paisaje de energía. Las actuaciones musculares modifican la función de energía almacenada, cambiando así la posición de equilibrio del brazo y guiando el movimiento ».

Interpretar los músculos usando energía almacenada simplifica dramáticamente el diseño de control del brazo. En particular, el estudio describe una metodología de control de modelado de energía para calcular las activaciones musculares necesarias para resolver tareas de manipulación como alcanzar y agarrar. Cuando este enfoque se demostró numéricamente en el entorno de software Elastica, este modelo condujo a un movimiento notablemente real cuando se simuló un brazo de pulpo en tres dimensiones. Además, según Halder, « nuestro trabajo ofrece garantías matemáticas de rendimiento que a menudo carecen de enfoques alternativos, incluido el aprendizaje automático ».

« Nuestro trabajo es parte de un ecosistema más grande de colaboraciones en curso en la Universidad de Illinois », dijo Mehta. « Aguas arriba, hay biólogos que realizan experimentos con pulpos. Aguas abajo, hay especialistas en robótica que toman estas ideas matemáticas y las aplican a robots blandos reales ».

Los grupos de Mehta y Gazzola colaboraron con Rhanor Gillette, profesor emérito de fisiología molecular e integradora de Illinois, para incorporar la fisiología observada del pulpo en su modelo matemático para este estudio. El trabajo futuro discutirá las implicaciones biológicas del control basado en la energía. Además, los investigadores están colaborando con Girish Krishnan, profesor de ingeniería de sistemas industriales y empresariales de Illinois, para incorporar sus ideas matemáticas en el diseño y control de robots reales. Esto no solo creará una forma sistemática de controlar robots blandos, sino que también proporcionará una comprensión más profunda de sus mecanismos de trabajo.

Este trabajo fue parte del proyecto CyberOctopus, una iniciativa de investigación universitaria multidisciplinaria en el Laboratorio de Ciencias Coordinadas de la Universidad de Illinois con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval.