Seguramente muchas personas están familiarizadas con esta técnica, doblar papel de manera ingeniosa para crear una figura o escultura, sin necesidad de cortarlo o pegarlo. El origami tiene sus orígenes en China entre los siglos I y II, muy antiguo, sin embargo, este llegó a Japón y tomó una gran importancia en el siglo VI por su uso y perfeccionismo como arte. En apariencia supondría nada más que entretenimiento, no obstante, este ha evolucionado desde un simple entretenimiento para la aristocracia japonesa en la antigüedad, hasta un medio actual de educación y desarrollo didáctico.

Así pues, ¿cómo es que un procedimiento en el que solo participa una persona doblando papel de forma sistemática puede vincularse con la tecnología robótica actual? Hay que dar un vistazo más particular a la ciencia y las matemáticas detrás del origami para conocer la respuesta. 

Origami matemáticamente hablando

La construcción de modelos de origami se muestra con patrones de pliegues y por esta razón, varios estudiosos de la papiroflexia (término adoptado por el castellano) han ahondado en su mecanismo para demostrar teoremas matemáticos y geometría.

¿Sabías que, por medio de trozos de papel alargados, se podrían resolver ecuaciones de hasta grado 4? Precisamente como lo has leído. Esto incluye, resolver problemáticas cuestiones geométricas, como la trisección de un ángulo o doblar el cubo (llamado problema de Delian, antiguo problema geométrico).

Tradicional, de acción, modular, plegado en húmedo, de teselado, son diferentes tipos de maquetación de origami, la mayoría de ellos regido por 7 axiomas, Axiomas de Huzita-Hatori, basados en los pliegues que generan geometrías en cualquier figura. Por lo tanto, los axiomas de este arte, sus matemáticas, permiten realizar operaciones que no serían posibles con regla y compás.

Además de la incorporación de ciencias matemáticas, la suma del modelamiento computarizado, ha permitido que las figuras de origami actuales tengan tanta complejidad.

Creamos robots basados en origami

Por definición, un robot es una máquina programable con movimiento capaz de realizar determinadas acciones. El diseño, flexibilidad y versatilidad del método origami ha sembrado una semilla en las mentes innovadoras de la ciencia e ingeniería. De la misma manera los robots origami contienen sus mecanismos de sensado, actuadores y potencia.

Tomar el origami como base para la robótica, no es una innovación tan reciente, sin embargo, el desarrollo de nuevas tecnologías ha permitido mejorar diseño y orientarlo a varios usos prácticos.

El ensamblaje de un robot inspirado en ese arte, puede comenzar con el modelamiento de su forma 3D, la hoja o material se somete a una secuencia de pasos o dobleces, el patrón que requiere para ser adquirir su forma final. Esto usualmente se consigue con algoritmos computacionales. Se escucha sencillo, no obstante, el desarrollo de este algoritmo requiere tres aspectos base para modelar un diseño de la forma del robot origami, dependiendo del objetivo, el tamaño de la “hoja” o material origami, el número de pliegues o la proporción de flexibilidad que requerirá. Para esto, la ciencia matemática e ingeniería entran en acción.

Una vez modelados, ¿con qué construirlos? Si este robo-origami está orientado a ser un micro-robot, estos pueden plegarse por materiales que implican procesos de laminación estructural. Herramientas de fabricación planas, rápidas y económicas como el mecanizado láser, impresión por litografía y ensamblaje de componentes. Luego, vienen las estrategias de impresión 3D y 4D para su fabricación.

¿Y su movilidad? Actuadores.

Estos robots utilizarían la combinación de sus dobleces y autoensamblaje (la manera en que se despliegan para ponerse en acción) para ejecutar su locomoción, esto es lo que los hace diferentes de los robots convencionales con sus grados de libertad.

Materiales piezoeléctricos (materiales que responden con cambios en su forma al ser aplicada una carga eléctrica) pueden usarse como actuador para estos robots a escala milimétrica. Shape memory alloys (SMAs) o aleaciones con memoria de forma, son materiales “inteligentes”. Por ejemplo, pueden cambiar su forma con ciertas variaciones de temperatura.

En lugar de aleaciones con memoria de forma se tienen los polímeros, que reaccionan a estímulos, son los más apropiados para los robots basados en papiroflexia por su mayor facilidad al momento de moldear.

Entre otros, como dieléctricos, hidrogeles, polímeros fototérmicos y otros compuestos cuyos nombres nos pueden parecer extraños y confusos.

Sensado y control

La mayoría opera en lazo abierto o con lazos de control On/Off, pese a esto, al igual que sus distintos métodos de actuación, se dispone de distintos métodos para otorgar retroalimentación al robot origami. Estos métodos, por ejemplo, se ubicarían en los ángulos que se forman en un doblez del robot. Se pueden aplicar capas de canales microfluídicos llenos de metales líquidos que miden la flexión a través de su deformación.

El robot origami del MIT, presentado en 2015, tiene embebido un imán diminuto, de esta manera puede ser controlado programando un campo magnético, en otras palabras, puede ser controlado remotamente por una persona.

Ahora, ¿robots origami comestibles? ¿Para qué sirven?

He aquí un uso de estos pequeños trabajadores mecánicos que podría asemejarse a muchas historias de ciencia ficción. Un minúsculo organismo capaz de ingresar en nuestro organismo sin cirugías, de una manera no invasiva para sanarlo desde el interior. Los métodos actuales requieren que un dispositivo médico de inspección esté conectado o sujeto a una correa, estos sin embargo, no.

En 2016, científicos del MIT, Universidad Sheffield y del Instituto de Tecnología de Tokio ya simularon el uso de un robot origami ingerible dentro de la imitación de un estómago humano. Este viajó hasta el órgano envuelto en una cápsula y fue dirigido por campos magnéticos externos. Una vez allí se desdobla y adquiere su forma funcional. Su construcción se basa en materiales biocompatibles, en este caso, el cuerpo plegable de este mini robot contiene precedentes porcinos. Mucha investigación y pruebas se requirieron para tomar este material biodegradable.

El objetivo de ese experimento fue remover una batería o pila de botón del estómago, con justa justificación ya que, según estadísticas, solo en EEUU, cada año son ingeridas alrededor de 3500 pilas, provocando daños en el tejido del mismo.

Las tareas que este diminuto doctor podría realizar para beneficio de nuestra salud se comprenderían en expulsar objetos extraños, curar heridas o transportar medicina localizada.

Origami y Diseño Aeroespacial

Tecnología y equipos plegables o despegables, conllevarían a impulsar la eficiencia de la investigación espacial. Al día de hoy, ya se han propuesto varios patrones geométricos de dobleces de origami para empacar y posteriormente desplegar grandes membranas en el espacio. No solo membranas, se piensa construir rovers que se ensamblen de manera automática a través de estos pliegues, lo cual serviría mucho a la exploración extraterrestre.

La NASA y su proyecto PUFFER (Pop-Up Flat Folding Explorer Robot), han fundamentado la construcción de un explorador espacial en la papiroflexia con la meta de estudiar regiones de la Luna y adecuarse a zonas de difícil acceso como cráteres o cuevas, todo esto teniendo un solo grado de libertad. Conoce más sobre A-PUFFER aquí.

Conclusión

Además de los mencionados, nuevos materiales ligeros son combinados y creados para ser utilizados en este tipo de robots, tenemos a la Universidad Nacional de Singapur, que combinó el platino con ceniza de papel quemado. El resultado fue un material con la suficiente flexibilidad y peso, incluso para su aplicación en robots más avanzados.

El origami comenzó con un repertorio reducido de formas, animales, objetos. Akira Yoshizawa, es considerado uno de los grandes maestros del arte japonés del origami, habiendo agregado miles de nuevos modelos. Esto generó inspiración en las generaciones siguientes para el conocimiento y creatividad que se le dio al origami y que surgió de él.

Personalmente, me maravilla la idea de que un arte sea tomado para redefinir la forma en que se diseñan y construyen robots. La manufactura de sensores y elementos electrónicos cada vez a menor escala, permitirán que esta nueva gama de máquinas de tamaño reducido realice más tareas y en diversos campos como en salud, biomedicina, manufactura, investigación y educación.

Referencias

[1] D. Rus y M. T. Tolley, «Design, fabrication and control of origami robots,» Mayo 2018. [En línea]. Available: https://www.nature.com/articles/s41578-018-0009-8.
[2] L. Hardesty, «Ingestible origami robot,» MIT News Office, 2016. [En línea]. Available: https://news.mit.edu/2016/ingestible-origami-robot-0512.
[3] BBC News Mundo, «Qué son los robots origami y cómo un nuevo y extraordinario material los hace flexibles,» Noviembre 2019. [En línea]. Available: https://www.bbc.com/mundo/noticias-50561369 .
[4] «Axiomas de Huzita-Hatori,» [En línea]. Available: https://docplayer.es/49974534-Axiomas-de-huzita-hatori.html.
[5] J. I. Royo Prieto, «Matemáticas y papiroflexia,» [En línea]. Available: https://www.cimat.mx/Eventos/TJCsecundaria2008/03_Mats-y-Papiroflexia.PDF.

Victoria Yanez G.

Ingeniera en Electrónica, Automatización y Control de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Miembro y voluntaria IEEE desde el año 2016. 

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