Ingenieros ‘reinventan’ la rueda en base al arte origami

Ingenieros de Corea del Sur y Estados Unidos desarrollaron una rueda de origami que puede cambiar de forma en plena marcha. El equipo probó con éxito varios prototipos de ruedas de diferentes tamaños (incluidas algunas capaces de soportar una carga de hasta diez kilonewtons). También, en las pruebas, un automóvil equipado de 4 ruedas origami transportó con éxito a una persona y cambió de forma en movimiento. El diseño y otros detalles de las pruebas con la novedosa rueda fue publicado en Science Robotics.

Por años, el arte japonés del origami inspiró a los ingenieros. Gracias a él, es posible lograr formas complejas a partir de una hoja de papel plana. En robótica, ¡ permite que los autómatas u otros dispositivos se plieguen y reconfiguren durante su uso. Incluso en gran parte de los proyectos, el origami se utiliza en su forma original, como pequeñas estructuras de papel. Esto es bueno para hacer pequeños prototipos, con el fin de demostrar que el concepto funciona. Eso si, el uso papel no es bueno para replicar prototipos a mayor escala o en el mundo real.

Por ejemplo, hace varios años, ingenieros suizos y estadounidenses propusieron nuevo tipo de estructura de origami que permite utilizar el mismo principio de plegado para crear estructuras rígidas de carga. 

La reinvención origami de la rueda

Ahora, los ingenieros dirigidos por Kyu-Jin Cho de la Universidad Nacional de Seúl, Corea del Sur, (quienes ya venían trabajando prototipos robóticos de rueda basados en el arte nipón), mejoraron su diseño y lo adaptaron al tamaño de un automóvil, e igualmente le brindaron capacidad de carga acorde a sus nuevas dimensiones.

Los autores tomaron como base el patrón de origami conocido como bomba de agua, porque permite crear una rueda en la que algunas de las estructuras se ubican perpendiculares a la dirección de la carga, y otras son perpendiculares a la dirección de la fuerza transformadora (esto hace que la rueda cambie de configuración), lo que le permite mantener ambas posiciones con un costo mínimo de energía.

Configuración de los dos tipos ruedas de Lee.
Dae-Young Lee et al. / Science Robotics, 2021

Los ingenieros cambiaron la estructura de la rueda varias veces, también la ubicación de sus fragmentos rígidos en el sustrato de polímero, el grosor del sustrato y la distancia entre los fragmentos rígidos. Uno de los principales problemas fue la selección de la relación óptima entre el espesor del elastómero y la distancia: esto lo resolvieron con la ayuda del modelado en el marco de la teoría de vigas de Euler-Bernoulli.

Estructura de rueda en su configuración de diámetro grande.
Dae-Young Lee et al. / Science Robotics, 2021

Como resultado, crearon una estructura de muchas partes, entre las cuales las principales son el buje y las partes que forman la llanta y los radios. Además, las estructuras autoblocantes están ubicadas internamente para mantener la integridad estructural de la rueda cuando está en una configuración de gran diámetro, incluso bajo carga lateral, así como la banda de rodadura. Y en un estado con un diámetro pequeño, la integridad de la estructura se logra debido al hecho de que los radios de diferentes convergen entre sí, y la carga del automóvil y el relieve cae principalmente sobre las partes perpendiculares de la llanta. Básicamente, la rueda está hecha de una base elástica compuesta por PET y tela de nailon, así como paneles rígidos de aluminio.
 

Estructura de rueda en configuración de pequeño diámetro
Dae-Young Lee et al. / Science Robotics, 2021

Los ingenieros ensamblaron cuatro prototipos de ruedas, que pueden estar en dos tipos: grande y todoterreno con un diámetro de 80 centímetros, 22 centímetros de ancho y ranuras en la banda de rodadura, y una pequeña diseñada para carretera plana, con un diámetro de 46 centímetros y un ancho de 48 centímetros. Montaron un prototipo de automóvil, en el que dos motores eléctricos se encargaron de la rotación de las ruedas, transmitiendo fuerzas a través de las cadenas.

Por su parte, los actuadores hidráulicos lineales se encargaron de la transformación entre los estados de las ruedas, empujando los planos de los cubos de las ruedas y obligando así a que la superficie de las ruedas cambie de forma. Los ingenieros también demostraron que la rueda se puede instalar en un automóvil común y corriente.

Las pruebas demostraron que las ruedas son capaces de soportar una carga de 10 ± 2 kilonewtons, y la transformación a una velocidad de un metro por segundo toma cinco segundos. La relación entre la masa de carga útil permitida y la masa de la rueda en sí es más de 50.

Los autores señalan que hasta ahora solo probaron el rendimiento de la estructura, pero en el futuro será necesario evaluar su resistencia a largo plazo a los niveles de vibración y ruido, así como adaptar los materiales y métodos de producción a los que ya se utilizan en la industria de las ruedas para la producción de neumáticos.

Este no es el primer proyecto en el que los ingenieros intentan reinventar la rueda. Por ejemplo, en 2018, el ejército de EE.UU. probó una rueda de vehículo de combate que puede cambiar entre una rueda giratoria redonda y una hélice de pista triangular sobre la marcha. Además, ingenieros australianos crearon ruedas que pueden cambiar la relación de transmisión y la altura del eje sobre el suelo sobre la marcha.

 

 

Gregorio Kopiev

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, tecnología que suma
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