Materiales robóticos

Los materiales robóticos son materiales compuestos que combinan detección, actuación, computación y comunicación en un patrón repetible o amorfo. ^{[ 1 ]} Los materiales robóticos pueden considerarse metamateriales computacionales, ya que extienden la definición original de metamaterial ^{[ 2 ]} como "compuestos macroscópicos con una arquitectura celular periódica tridimensional artificial diseñada para producir una combinación optimizada, no disponible en la naturaleza, de dos o más respuestas a una excitación específica", al ser totalmente programables. Es decir, a diferencia de un metamaterial convencional, la relación entre una excitación y una respuesta específicas está regida por la detección, la actuación y un programa informático que implementa la lógica deseada. ^{[ 1 ]}

La idea de crear materiales que incorporen computación está estrechamente relacionada con el concepto de materia programable , un término acuñado en 1991 ^{[ 3 ]} por Toffoli y Margolus, que describe matrices densas de elementos computacionales que podrían resolver simulaciones complejas de sistemas de materiales similares a elementos finitos, y que luego se desarrolló para describir una clase de materiales que consisten en bloques de construcción móviles idénticos, también conocidos como catomas que son totalmente reconfigurables, lo que permite que los materiales cambien arbitrariamente sus propiedades físicas.

Los materiales robóticos se basan en el concepto original de materia programable, ^{[ 3 ]} pero se centran en las propiedades estructurales de los polímeros que los incorporan sin pretender cambios de propiedades universales. Aquí, el término "robótico" se refiere a la confluencia de detección, actuación y computación, y fue acuñado por Nikolaus Correll y sus estudiantes en el artículo de Science "Materiales que acoplan detección, actuación y computación". ^{[ 1 ]}

Los materiales robóticos permiten descargar el procesamiento dentro del material, sobre todo el procesamiento de señales que surge durante las aplicaciones de detección de alto ancho de banda o el control de retroalimentación que requiere la actuación distribuida de grano fino. Ejemplos de tales aplicaciones incluyen el camuflaje, el cambio de forma, el equilibrio de carga y las pieles robóticas ^{[ 4 ]} , así como dotar a los robots de mayor autonomía al descargar parte del procesamiento de señales y los controles en el material ^{[ 5 ]} , creando "materiales que hacen que los robots sean inteligentes" ^{[ 6 ].}

La investigación en materiales robóticos abarca desde el nivel de dispositivo y fabricación hasta los algoritmos distribuidos que dotan de inteligencia a los materiales robóticos. ^{[ 7 ]} Como tal, se interseca con los campos de materiales compuestos , redes de sensores , algoritmos distribuidos y, debido a la escala de la computación involucrada, inteligencia de enjambre . A diferencia de cualquier campo individual, el diseño de la estructura, los sensores, los actuadores, la infraestructura de comunicación y los algoritmos distribuidos están estrechamente interrelacionados. Por ejemplo, las propiedades del material estructural afectarán cómo se propagan las señales a detectar a través del material, a qué distancia deben espaciarse los elementos computacionales y qué procesamiento de señales debe realizarse. De manera similar, las propiedades estructurales están estrechamente relacionadas con la integración real de la infraestructura de computación y comunicación. Capturar estos efectos, por lo tanto, requiere una colaboración interdisciplinaria entre materiales, ciencias de la computación y robótica. ^{[ 1 ] Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, un desafío particular reside en los materiales que permiten la creación instantánea de objetos complejos y su transfiguración a pedido. Kaya et al. [ 8 ]} proporcionan una descripción general de diferentes enfoques para dichos materiales.