Los robots y sus capacidades [1 ed.] 8400109414, 9788400109417

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Los robots

y sus capacidades

Ya estamos en la era de los robots al servicio del ser humano. Robots con algo que llamamos inteligencia y que van a ser parte de nuestra vida cotidiana: en casa, en el trabajo, en la calle… y ¡formando parte de nuestro propio cuerpo! Pero ¿están los robots preparados para ser parte de nuestra vida? ¿Estamos los seres humanos preparados para confiar en ellos? ¿Son verdaderamente inteligentes? Este libro, una actualización ampliada de la edición de 2015, pretende acercar los robots a las personas y contribuir a su aceptación e integración en la sociedad, descifrando toda su complejidad a través de una analogía con el propio ser humano y derribando algunos mitos. Al terminar su lectura, se podrá distinguir realidad de ficción, se entenderá su funcionamiento y cómo este puede contribuir a mejorar nuestra calidad de vida, y se conocerán los nuevos avances de la robótica, prestando especial atención a la interacción con la inteligencia artificial.

ISBN: 978-84-00-10941-7

¿de qué sirve la ciencia si no hay entendimiento?

¿QUÉ SABEMOS DE? LOS ROBOTS Y SUS CAPACIDADES

Una colección de libros que acerca la ciencia y sus desarrollos tecnológicos al público general a través de sus protagonistas. El personal investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) contextualiza y explica los avances del conocimiento en textos pensados para que la sociedad tenga acceso a las claves de la investigación de forma amena y directa. Desde 2009 ¿Qué sabemos de? publica títulos sobre todas las áreas del saber que atienden tanto a temas de actualidad como a cuestiones generales de la ciencia y la tecnología.

¿QUÉ SABEMOS DE?

Elena García Armada

¿QUÉ SABEMOS DE ?

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Los robots

y sus capacidades Elena García Armada

Elena García Armada Es doctora ingeniera industrial por la Universidad Politécnica de Madrid e investigadora científica en el Centro de Automática y Robótica (CSIC-UPM). Su labor investigadora, de marcado perfil tecnológico, trata de resolver los principales retos científico-tecnológicos en la aplicación de la robótica al servicio del ser humano, habiendo conseguido resultados pioneros en el desarrollo de exoesqueletos biónicos como herramienta de rehabilitación y movilidad de niños que sufren enfermedades neuromusculares. En este sentido, es fundadora y presidenta de la empresa Marsi Bionics, a través de la cual, en colaboración con los principales hospitales españoles, los exoesqueletos pediátricos ya contribuyen a mejorar la salud y la calidad de vida de miles de niños, ralentizando el avance de los síntomas de sus enfermedades.

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Elena García Armada

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Colección ¿Qué sabemos de? COMITÉ EDITORIAL Pilar Tigeras Sánchez, CSIC Carmen Guerrero Martínez, CSIC Pura Fernández Rodríguez, CSIC Arantza Chivite Vázquez, Editorial Los Libros de la Catarata Javier Senén García, Editorial Los Libros de la Catarata Carmen Viamonte Tortajada, Cyan Proyectos Editoriales Manuel de León Rodríguez, CSIC Isabel Varela Nieto, CSIC Alberto Casas González, CSIC Rafael Huertas García-Alejo, CSIC

CONSEJO ASESOR Carlos Andrés Prieto de Castro, CSIC Dolores González Pacanowska, CSIC Elena Castro Martínez, CSIC Avelino Corma Canós, CSIC Ginés Morata Pérez, CSIC Pilar Goya Laza, CSIC Rosina López-Alonso Fandiño, CSIC María Victoria Moreno Arribas, CSIC David Martín de Diego, CSIC Miguel Ángel Puig-Samper, CSIC Jaime Pérez del Val, CSIC Elena García Armada, CSIC

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© Elena García Armada, 2022 © CSIC, 2022 http://editorial.csic.es [email protected] © Los Libros de la Catarata, 2022 Fuencarral, 70 28004 Madrid Tel. 91 532 20 77 www.catarata.org isbn (csic):

978-84-00-10941-7 978-84-00-10942-4 isbn (catarata): 978-84-1352-393-4 isbn electrónico (catarata): 978-84-1352-394-1 nipo: 833-22-019-5 nipo electrónico: 833-22-020-8 depósito legal: M-4.400-2022 thema: PDZ/TJFM1/UX isbn electrónico (csic):

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Catarata,

El Consejo Superior de Investigaciones Científicas y Los Libros de la

por su parte, solo se hacen responsables del interés científico de

sus publicaciones.

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Índice

PRÓLOGO 5 CAPÍTULO 1. ¿Qué es un robot? 7 CAPÍTULO 2. Biografía 14 CAPÍTULO 3. Anatomía 46 CAPÍTULO 4. El sistema neuromuscular 66 CAPÍTULO 5. Más allá del cuerpo 92 CAPÍTULO 6. Robots fascinantes 115 CAPÍTULO 7. Inquietudes y miedos frecuentes 130 BIBLIOGRAFÍA 139

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Prólogo

La idea que el ciudadano tiene de lo que es un robot es lo que la ciencia ficción ha querido transmitirle. Máquinas aniquiladoras, con una inteligencia superior, que evolucionan para destruir a su creador, el ser humano. Y no es de extrañar que tengan esta opi­ nión del robot, ya que es la única información a su alcance. El co­ nocimiento de la robótica se ha reservado para los profesionales, y su docencia se dirige exclusivamente a los ingenieros especializa­ dos. Pero la robótica se está introduciendo en nuestras vidas, en la vida diaria del ciudadano de a pie, y nos encontramos con una gran desconfianza hacia ese robot que pretende meterse en nuestra ca­ sa, con nuestra familia. Este libro pretende presentar a ese gran desconocido. En­­ ten­­demos que el primer paso para que el acercamiento entre hu­ mano y robot se produzca es acercar la información, ayudar a entender qué es un robot, cómo funciona, qué puede hacer por nosotros y qué podemos esperar de él. Cuando el lector o lectora termine de pasear por las páginas de este libro dejará de pensar en un robot como un Terminator para pensar en un aliado, una ayuda para la mejora de su calidad de vida y de su trabajo. Para lograrlo he recogido lo más básico y fundamental de la robótica. Sin restar rigor a lo descrito, se ha simplificado de mane­ ra considerable para facilitar su comprensión. Se describe al robot de la misma manera que describiríamos a un ser humano: su bio­ grafía, su anatomía, sus capacidades. ¿Están tan próximas las capa­ cidades del robot a las humanas? He ampliado el contenido de la primera edición con un ca­ pítulo que muestra los últimos avances en la investigación trans­ disciplinar, que trata de aproximar las capacidades del robot a las 5

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humanas gracias al avance de otras disciplinas como la inteligen­ cia artificial o la ingeniería de materiales. Con este libro el lector o lectora será capaz de encontrar respuesta a sus inquietudes y miedos acerca de los robots. ¿Pueden ser más inteligentes que el ser humano? ¿Pueden rebelarse contra nosotros? ¿Nos dejarán sin empleo? Son las preguntas que con más frecuencia me hacen y los miedos que más preocupan a la ciudadanía. La robótica ha venido para quedarse entre nosotros y su papel es el de mejorar nuestra calidad de vida y nuestro trabajo. ¿Estamos preparados para incorporarlos a nuestro día a día? A lo largo de estos últimos diez años he alcanzado metas a priori juzgadas por otros como imposibles, he roto techos de cristal y mi carrera profesional ha escalado vertiginosamente. Las alas que me han impulsado en este increíble viaje han sido, son y serán siempre los niños y niñas afectados por enfermeda­ des neuromusculares y sus familias. Ellas, ellos, al permitirme formar parte de su vida y de su esperanza me han transmitido su energía, su felicidad instantánea, su sonrisa, sus lágrimas. A las familias de Álvaro, Jens, Jorge, Alba, Ángela, Víctor, Adolfo, y tantas otras que han venido y vendrán, quiero seguir dedicando mi trabajo, empezando por dedicarles este libro. Ciencia y arte van de la mano, y también en esta dedicato­ ria. Inspirada por su coraje, su valentía y su tesón, “Hourglass” (del inglés, ‘el reloj de arena’) es un tema que hemos compuesto mi amigo y maestro Víctor García Delgado y yo para todas las familias que viven cada minuto con toda la intensidad que sus fuerzas les permiten. Invito al lector a escuchar esta canción y a disfrutar de la emoción que desprende este libro de robots.

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CAPÍTULO 1

¿Qué es un robot?

Construidos por un grupo de científicos que sueñan con liberar al hombre de la maldición del trabajo, los robots constituyen el primer experimento hacia ese loable fin. Estos autómatas poseen un notable parecido con la especie humana, pero han sido creados para servirla; son, en definitiva, una mano de obra esclava, sometida a la voluntad de sus creadores. Para los científicos de la compañía Robots Universales Rossum, RUR, su sueño comienza a cobrar fuerza. En la lejana isla donde habitan, la producción de robots no hace sino aumentar para satisfacer la imparable demanda de esta mano de obra barata y sumisa. Sin embargo, algo está a punto de cambiar. Millones de personas en todo el pla­ neta pierden sus puestos de trabajo al no ser competitivos frente a los incansables robots. Incluso los gobiernos prefieren abastecer a sus ejércitos de soldados ro­ bot. Mientras, en la sede de RUR, un científico ha concebido una nueva genera­ ción de androides capaces de sentir dolor; una forma de sensibilidad física que no tardará en convertirse en una incipiente semilla para hacer germinar en los autómatas… el alma.

Es la sinopsis de la obra de teatro Robots Universales Rossum, RUR, donde se acuña el término “robot”, en la traducción al inglés de la obra que el dramaturgo checo Karel Capek escribió en 1920. Los robots de RUR son seres vivos, replicantes de los humanos pero sin sentimientos ni creatividad, fabricados en masa, única y exclusivamente para servir a la humanidad. A excepción de su naturaleza humana, este pedazo de texto acierta a predecir algu­ nos de los esfuerzos en investigación en robótica en las últimas décadas, así como los principales miedos que nos inspiran estas máquinas. En esta obra de teatro surge el concepto de robot, antici­ pándose cuatro décadas a su llegada. Desde entonces el robot es 7

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un invento del ser humano destinado a servirle, librándole del trabajo más tedioso. En definitiva, un ingenio que mejorará nuestra calidad de vida. La ciencia ficción se convierte en realidad en 1954 cuando George Devol presenta la primera patente de un robot: Programmed Article Transfer, un robot manipulador muy primiti­ vo para trasladar de herramienta. Esta patente hace referencia al primer robot manipulador programado de forma digital y repre­ senta el nacimiento de la robótica industrial. En 1956, Joseph Engelberger, director de ingeniería aeroes­ pacial de la empresa Manning Maxwell & Moore en Stanford, coincide con Devol en un cóctel. Ambos deciden crear Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en Unimation (Universal Automation), la primera compañía de robótica, que en 1961 instala el primer robot Industrial, el Unimate 2000, en una fábrica de General Motors. Posteriormente, Unimation fue absor­ bida por Westinghouse. La obra RUR, además de acuñar el término robot, pudo adelantar el efecto de la robotización. La revolución industrial que provocó la implantación de los robots industriales en las fábricas en los años sesenta y setenta, sustituyendo a operarios en tareas repetitivas, generó la sustitución de puestos de trabajo y la cualificación del empleo, de forma similar a como Capek lo había imaginado. Sin embargo, el robot de Capek era de natura­ leza humana. El robot real se diferencia del de la ciencia ficción en su naturaleza, al menos, de momento. Aunque existen numerosas definiciones de la palabra robot, todas válidas, quedémonos por ejemplo con la definición de la RAE: “(Del ingl., robot, y este del checo robota, trabajo, prestación personal). 1. m. Máquina o ingenio electrónico programable, ca­ paz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas solo a las personas”. En definitiva, un robot es, en esencia, una máquina. Pero partiendo de esa naturaleza electromecánica, ¿qué diferencia a un robot de una máquina cualquiera? Era el año 2000 y el jefe de nuestro departamento del Instituto de Automática Industrial del CSIC nos comunicó que había que preparar un robot para llevarlo a la feria Aula, donde 8

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el CSIC reservaba un espacio para mostrar a los estudiantes, científicos en potencia, las posibilidades de la investigación nacio­ ­nal. Nosotros éramos su ejemplo, investigadores en formación, los becarios de investigación trabajando en nuestra tesis doctoral. El robot elegido fue el SILO4, un cuadrúpedo de color rojo, del tamaño de una mesa rinconera, sobre el que versaba mi tesis y la de dos de mis compañeros. El SILO4 era un robot caminante, es decir, su función principal era la de caminar, eso que hace de forma natural cualquier animal sin apenas esfuerzo. En cambio, hacer caminar a ese robot costó tres tesis doctorales y dos pro­ yectos de investigación. Una vez en Aula, ya instalado el robot y el computador desde el que lo controlábamos, hacíamos turnos en los que explicábamos a los niños y a los no tan niños qué era el SILO4 y qué hacía. Se movía siguiendo un modo de caminar discontinuo de dos fases, llamado así porque primero avanzaba consecutivamente dos de sus patas y una vez que el robot se en­ ­contraba estable bajo sus cuatro apoyos, avanzaba el cuerpo. A continuación, en una segunda fase, avanzaba las otras dos patas y volvía a mover el cuerpo, y así se repetía la secuencia cíclica­ mente. Era más bien lento para la mayoría de los visitantes, acos­ tumbrados a los robots ágiles de Star Wars, y resultaba difícil competir con esa imagen. El SILO4 no podía moverse más rápi­ do porque dependía de unos motores y unos engranajes reduc­ tores para mover cada articulación, y estos últimos, los engrana­ jes, eran los principales causantes del límite de velocidad. Sin ellos el robot no habría podido soportar su propio peso, pero la amplificación de la fuerza del motor causaba de forma inversa­ mente proporcional la pérdida de velocidad. Los robots de Star Wars no tenían limitaciones físicas al estar construidos por orde­ nador, pero eso no lo explican en las películas. Entre las diferentes visitas se acercó una niña rubita, tendría unos 7 años. Uno de mis compañeros estaba en el turno de aten­ der a los visitantes y cuando la niña le preguntó curiosa: “¿Esto qué es?”. Mi compañero, orgulloso (ya que él había hecho el diseño mecánico y supervisado la fabricación del robot), con la cabeza alta y el pecho hinchado contestó: “Es un robot”. La niña reflejó una mezcla de sorpresa y curiosidad en su rostro. Tras 9

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una pausa de pocos segundos la niña volvió con otra pregunta: “¿Y qué sabe hacer?”. Mi compañero volvió a inflar el pecho, cabeza alta, y muy satisfecho de la pregunta, respondió: “Este robot sabe andar”. Tras otra pausa, esta más corta incluso que la primera, la niña volvió a la carga: “¿Y qué más sabe hacer?”. Mi compañero se desinfló ligeramente, arrugó un poco el ceño y contestó: “No hace nada más, caminar ya es bastante para un robot”. La expresión de decepción de la niña precedió a su ful­ minante conclusión, que no tardó en expresar con total desinhi­ bición: “Pues vaya cosa. Mi muñeca Pili anda y además hace pis”. Dio media vuelta y se marchó, muy orgullosa de su muñeca y bastante decepcionada por esa mesa roja andante que se hacía llamar robot y ni siquiera era capaz de hacer pis. Lo que distinguía al SILO4 de la muñeca Pili y de otras muñecas andantes no era la capacidad de hacer pis, sino precisa­ mente la de caminar. Pili movía sus piernas de forma cíclica, unos miembros rígidos, sin capacidad de adaptarse al suelo, y que se caía a la menor perturbación en el camino, o a veces sin ella. En cambio, SILO4 tenía tres articulaciones en cada pata que le permitían adaptarse al suelo, seleccionar el punto de apoyo, evi­ tando apoyos inestables, maximizando la longitud de paso, y mo­ nitorizando y controlando el margen de estabilidad, es decir, se aseguraba en cada paso que la postura elegida y los apoyos selec­ cionados eran estables, el robot no se iba a caer. Todo esto gracias al trinomio percepción-decisión-acción, que caracteriza al robot y lo distingue de otra máquina, mecanismo o muñeco. El robot per­ cibe información del entorno y de sí mismo, y la utiliza en un proceso de razonamiento más o menos sofisticado, para ejecutar una acción. Este trinomio es lo que permite al robot realizar ope­ raciones de forma autónoma, sin intervención humana. Un robot es capaz de realizar sin la intervención humana operaciones antes reservadas solo a personas, y esta es la carac­ terística que le distingue de cualquier máquina común. Otros ejemplos ya integrados en nuestra vida cotidiana son los robots de limpieza (como Roomba de iRobot que fue pio­­ nero), que se distinguen de la aspiradora tradicional por realizar la limpieza sin la intervención humana, evitando obstáculos, 10

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adaptándose a la suciedad y asegurando la limpieza completa. Igualmente encontramos los robots cortacésped. Esta característica inherente a cualquier robot se debe a su condición de programable, presente en todas las definiciones de robot. La funcionalidad del robot se define en un programa in­ formático o electrónico, siendo este el que hace posible la toma de decisiones del robot durante su operación. Esta toma de deci­ siones es la conexión entre la percepción y la acción del robot. Por lo tanto, el robot únicamente será capaz de tomar las deci­ siones que han sido programadas, ante aquellos estímulos que es capaz de percibir (sensores) y sobre aquellas acciones que es capaz de realizar (diseño mecánico). Por eso, el programa, el sistema de percepción y el diseño mecánico del robot constituyen al mismo tiempo las capacidades y los límites del robot. El robot no puede tomar una decisión que no ha sido programada, no puede ver si no tiene cámaras de visión artificial y no puede manipular si no tiene manos, entre otros ejemplos. El robot no puede hacer pis si no se ha diseñado para ese fin. Recapitulando, un robot es una máquina diseñada para rea­ lizar una operación determinada, dotada de un sistema de per­ cepción para recibir la información del estado del robot y del en­ torno, dotada de un programa que le indica cómo actuar en cada estado de sí mismo y de su entorno, y dotada de un sistema de acción dedicado a realizar la operación a la que ha sido destinado. Dependiendo de las capacidades que tenga un robot, es de­ cir, de las operaciones que sea capaz de realizar, podemos en­ contrar diversos tipos de robots: • Robots manipuladores, también conocidos como robots in­ dustriales. Su diseño mecánico se asemeja a un brazo articula­ do y su función es la manipular objetos, herramientas, o reali­ zar operaciones repetitivas con gran precisión. La mayoría de los ejemplos los encontramos en la industria manufacturera, por eso se les conoce como robots industriales. Desde el prin­ cipio, es la industria de automoción la que marca las especifica­ ciones de la robótica industrial, debido principalmente al poder en el mercado de esta industria y a sus claras necesidades 11

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técnicas. En­­contramos robots de ensamblado, de soldadura, de pintura, de traslado de herramienta, entre otros ejemplos. Posteriormente han surgido nuevas áreas de aplicación de los robots industriales que han impuesto nuevas especificaciones, siendo la característica principal la necesidad de adaptación a diferencias en los productos, como la va­­riación de formas, de tamaños, de materiales. Son principalmente la industria ali­ menticia, la farmacéutica y los servicios de mensajería para au­ tomatizar la logística. La capacidad de auto-adaptación al pro­ ducto y al entorno determinó nuevas líneas de investigación en la robótica industrial. La principal ha estado destinada a dotar al robot de la suficiente inteligencia y capacidad de solucionar problemas. Esto se consigue recurriendo a técnicas de inteli­ gencia artificial. Cuando el sistema de decisión del robot se realiza mediante técnicas de inteligencia artificial el robot es más flexible, robusto y capaz de adaptarse a cambios en el en­ torno. En este caso estamos hablando de robots inteligentes. Más adelante profundizaremos en el aspecto de la inteligencia. • Robots móviles. El término robot móvil describe de forma genérica a un sistema robótico capaz de realizar tareas en dife­ rentes lugares y que consiste en una plataforma movida por ele­ mentos locomotores. La elección del sistema locomotor depen­ de primeramente del entorno en el que operará el robot. Este puede ser aéreo (UAV, del inglés unmanned aerial vehicle), acuá­ tico (AUV, del inglés autonomous underwater vehicle) o terrestre (UGV, del inglés unmanned ground vehicle). En los entornos acuático y aéreo el sistema locomotor se basa generalmente en propulsores o hélices. La elección del sistema locomotor en tie­ rra es más complicada debido a la variedad de entornos. Los elementos locomotores típicos en robots móviles terrestres son las ruedas, orugas y patas. Las ruedas son los elementos de lo­ comoción más utilizados sobre terrenos preparados ya que al­ canzan mayores velocidades que las patas y orugas. Para mejo­ rar la tracción se pueden utilizar más de tres o cuatro ruedas y para facilitar el paso de obstáculos se pueden utilizar cuerpos articulados. En terrenos más accidentados se utilizan orugas o robots con patas, de los que hablaremos más adelante. 12

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La movilidad aporta a los robots una mayor capacidad de operación y abre nuevas áreas de investigación. Los principa­ les esfuerzos en investigación en robots móviles se han cen­ trado en enseñarle al robot cómo determinar su posición en el espacio y cómo planificar su trayectoria hacia una meta, en un entorno progresivamente más complejo. Como excepción, la investigación en robots basados en patas se ha centrado en la generación del modo de caminar, la adaptación de las patas al terreno y en mejorar las prestaciones de velocidad y estabi­ lidad de estos robots. • Robots de servicio. Con el envejecimiento del mundo occiden­ tal se reclaman nuevos tipos de servicios que permitan mante­ ner una cierta calidad de vida en casa y en el trabajo. Surge así un nuevo sector de la robótica con gran futuro, dedicado a dar servicio al ser humano. Los tradicionales robots industriales se ven modificados para atender a este mercado emergente. Una vez más, los requerimientos técnicos de los robots de servicios determinan las líneas de investigación, siendo prioritaria la inte­ racción y comunicación con el humano y la seguridad. Este sector de la robótica es uno de los más prometedores y se encuentra actualmente en desarrollo. Atendiendo a las di­ ferentes aplicaciones, podemos encontrar los siguientes tipos de robots de servicio: -- Robots de campo (agricultura, ganadería). -- Robots de defensa y seguridad, vigilancia, búsqueda y rescate. -- Robots médicos. -- Robots rehabilitadores. -- Robots personales (asistenciales, terapéuticos, domésticos, educativos, mascotas de compañía y entretenimiento).

La interacción directa con el ser humano es lo que caracteriza a los robots de servicio. Es sin lugar a dudas el futuro de la robótica. Este libro hace un viaje por la robótica para ayudar a entender y conocer los robots al servicio del ser humano.

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CAPÍTULO 2

Biografía

Desde el origen de las civilizaciones, el hombre siempre ha mos­ trado un gran afán por construir máquinas a su imagen y seme­ janza o inspiradas en otros animales. Existen referencias ya en la China clásica, año 500 a. C., de la construcción de una urraca voladora de madera y bambú, y un caballo de madera capaz de dar saltos. Hacia el año 400 a. C. en la antigua Grecia, Arquitas de Tarento construyó un autómata consistente en una paloma de madera que rotaba por sí sola gracias a un surtidor de agua o va­ por y simulaba el vuelo. En el Renacimiento, Leonardo da Vinci construyó para el rey Luis XII de Francia un león mecánico, que se abría el pecho con la garra y mostraba los símbolos del escudo de armas real. También diseñó alrededor del año 1495 uno de los primeros mecanismos con forma completamente humana, vesti­ do con una armadura medieval. Aunque como muchos otros in­ ventos de Leonardo, no llegó a ser construido. Este mecanismo fue reconstruido en la actualidad según los dibujos originales pu­ diendo mover los brazos, girar la cabeza y sentarse. En la catedral de Estrasburgo, un gallo mecánico formaba parte del reloj, mo­ viendo el pico y las alas al dar las horas, que funcionó desde 1352 hasta 1789. De todas las capacidades humanas a imitar, la capacidad de caminar ha sido una de las que más ha fascinado al hombre, y al mismo tiempo una de las más complejas. La primera referencia de un mecanismo caminante data de 1870. El mecanismo, di­ señado por el matemático ruso P. L. Chebyshev, conseguía eje­ cutar el ciclo de locomoción de una pierna mecánica mediante un sistema de cuatro barras, de manera que accionando un sim­ ple movimiento giratorio se generaba una trayectoria en el pie 14

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consistente en una fase de apoyo recta (en contacto con el suelo) y una fase de transferencia con forma de arco (trayectoria de avance en el aire hacia el próximo apoyo). Previamente al desarro­ llo del mecanismo de Chebyshev se desarrollaron varios mecanis­ mos móviles como el pato mecánico de Vaucanson (1738), aun­ que no conseguían realmente imitar la capacidad de caminar. Figura 1 Reproducción del mecanismo de Chebyshev, que dibuja la trayectoria del pie al caminar.

Estos son solo algunos ejemplos. Existen multitud de refe­ rencias a estos muñecos articulados, llamados autómatas (Según la RAE: “Máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado”) en las referencias literarias, que repetían una serie de movimientos accionados y programados mecánicamente. Carecían de la capacidad de reprogramación y de ejecución de otro tipo de movimientos, por eso no se consideran robots. A pesar de esta tradición tan antigua, la robótica es una ciencia muy joven. Ahora ya conocemos el origen de la palabra robot y su significado. El término robótica también tiene un ori­ gen literario, lo acuña en 1940 Isaac Asimov, inspirándose en la obra de Capek, definiéndolo como el estudio sistemático de los robots, su construcción, mantenimiento y comportamiento. Tampoco para entonces se había construido ningún robot. 15

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Asimov utilizó por primera vez el término robótica en los relatos cortos reunidos en su libro Yo robot (I Robot). En el relato titulado “Runaround”, ambientado en el año 2056, se postulan sus conocidas tres leyes de la robótica: Primera ley: Un robot no debe dañar a un ser humano ni, por su pasividad, dejar que un ser humano sufra daño. Segunda ley: Un robot debe obedecer las órdenes que le son dadas por un ser humano, excepto cuando estas órdenes están en oposición con la primera. Tercera ley: Un robot debe proteger su propia existencia, hasta donde esta protección no esté en conflicto con la primera o segunda ley.

Su concepción novelística no resta sentido común a las tres leyes, por lo que siguen usándose como referente teórico en la actualidad, aunque en la práctica no siempre se cumplen. En concreto, es difícil que un robot aspiradora esté pendiente de algo más que de su tarea de limpieza, y como mucho, evita­ rá limpiarte los pies si te interpones en su camino. Evitar causar daños al ser humano en contacto con el robot es una de las grandes áreas de trabajo en la robótica de servicio, como vere­ mos más adelante. En el siglo XX se producen importantes avances en todas las ramas de la ingeniería, lo que permite incorporar a los autó­ matas la capacidad de reprogramación, otorgándoles el carácter de robot. Los dispositivos electrónicos y electromecánicos hicie­ ron posible la primera aproximación al control semiautónomo de estas máquinas. El Phoney Pony fue la primera máquina que caminó bajo el control de un dispositivo electrónico en 1968. El sistema de control era una máquina de estados finitos. Actualmente, el concepto de robótica ha evolucionado ha­ cia los sistemas móviles autónomos, que son aquellos capaces de desenvolverse por sí mismos en entornos desconocidos y par­ cialmente cambiantes sin necesidad de supervisión. Se desarrollan robots tremendamente ambiciosos, desde los robots emocionales de Cyntia Breazal (MIT Media Lab), desde KISMET hasta Nexi, para llegar a nuestros hogares a través de 16

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Jibo, el primer robot social para el hogar; a los Mars Rovers de la NASA-JPL, Sojourner (1997), Spirit, Opportunity (2004) y Curiosity (2012 y sigue operativo), todos operando con éxito en la exploración de Marte. Entre los robots antropomorfos se deben mencionar el ASIMO de Honda, capaz de subir y bajar escaleras, abrir puer­ tas, pulsar interruptores y empujar vehículos, el humanoide QRIO de Sony, capaz de mantener el equilibrio en posiciones gimnásticas, NAO de Softbank (originalmente desarrollados por Aldebaran Robotics antes de su adquisición por Softbank), in­ creíble con su taichí, y Pepper, también de Softbank, HRP de Kawada como el colaborador del operario industrial. Quizá el humanoide ATLAS de Boston Dynamics sea el más avanzado en capacidades de acción y percepción, al haber sido concebido pa­ ra tareas de rescate. Pero, además, la robótica se está adentrando en terrenos cada vez más complejos, con robots capaces de adaptarse al mundo real, dotados de flexibilidad, robustez y fiabilidad ade­ cuadas como para convivir con el ser humano y más aún, for­ mando parte de su propio cuerpo. Los robots de asistencia al ser humano, robots para rehabilitación de enfermedades, son capaces de trabajar acoplados al cuerpo humano, aportando movilidad ar­ ticular y mejorando la salud y la calidad de vida de las personas. En las últimas dos décadas han surgido los exoesqueletos, robots configurados como estructuras ortésicas, capaces de devolver la capacidad de caminar a parapléjicos, tetrapléjicos y de rehabilitar la función neuromuscular a personas que sufren de enfermeda­ des neuromusculares. Es sin duda el momento de la historia de la robótica en la que más nos estamos acercando al sentido que Capek y Asimov le daban a la robótica como ayuda a preservar el bienestar y la calidad de vida de ser humano.

Los primeros robots Los precursores más inmediatos de los robots manipuladores fueron los teleoperadores y manipuladores master-slave. 17

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El teleoperador es un manipulador accionado manualmen­ te por un operario y a distancia, por medio de palancas. Se desa­ rrollaron en la II Guerra Mundial para la manipulación de sus­ tancias radiactivas. Los manipuladores master-slave1 consistían en dos disposi­ tivos semejantes: uno era accionado por el operario (master) y el otro repetía los movimientos de este (slave). Existían dos modos de funcionamiento: • Unilateral: el slave simplemente repite los movimientos del master. • Bilateral: el slave repite los movimientos e informa al master de lo que acontece. La posterior sustitución del operario de un teleoperador por un computador digital dio lugar al concepto de robot mani­ pulador. El accionamiento mecánico se cambió por motores eléctricos y las palancas por potenciómetros. Los manipuladores master-slave siguen utilizándose y han evolucionado hasta hoy para aplicarse principalmente en robóti­ ca médica. Con ellos, un cirujano maneja el master mientras el robot realiza la operación. El robot elimina los temblores de la mano y mejora la precisión de los movimientos. El robot DaVin­ ­ci de Intuitive Surgical es un claro ejemplo de aplicación de este concepto. Instalado en los quirófanos de los principales hospita­ les del mundo, este robot complementa la capacidad del ciruja­ no, permitiéndole realizar operaciones mínimamente invasivas, reduciendo el riesgo de la operación para el paciente. A partir de 1946 aparecen las primeras patentes de robots industriales como ya sabemos, culminando en 1961 con la insta­ lación del primer robot industrial, el Unimate 2000 en una fábri­ ca de General Motors. Más adelante esta empresa lanzó el robot PUMA, primer brazo multiarticulado que llegó a ser muy popu­ lar en el ámbito de la investigación. 1. Aunque su traducción al español es “amo-esclavo”, en el campo de la robótica siempre se ha utilizado el término en inglés y raramente la traducción. Empieza a hacerse uso del término “robot esclavo” en su aplicación a la robótica quirúrgica.

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Otros hitos importantes fueron el desarrollo del primer len­ guaje de programación de robots, denominado WAVE, que fue seguido por el lenguaje AL en 1974 y ambos darían lugar al co­ nocido lenguaje VAL. Los robots empiezan a salir de su confinamiento y surge el concepto de robot móvil, con capacidad de desplazarse mediante un sistema locomotor, generalmente ruedas. El precursor del ro­ bot móvil, pese a sus muy limitadas capacidades, fue ELSIE (Electro-Light-Sensitive Internal-External), una tortuga construida en Inglaterra en 1951. ELSIE se limitaba a seguir una fuente de luz utilizando un sistema mecánico realimentado sin incorporar inteligencia adicional. Posteriormente, apareció SHACKEY en el Standford Research Institute (SRI), que estaba provisto de una diversidad de sensores así como de una cámara de visión y sen­ sores táctiles y podía desplazarse por el suelo. Shackey se consi­ dera el primer robot móvil. En los ochenta aparece el CART del SRI, que trabaja ya con procesado de imagen estéreo, más una cámara adicional acoplada en su parte superior. En 1962 se construye el primer robot cuadrúpedo en la General Electric, un gigantesco robot de cuatro patas, llamado GE Walking Truck, que el operario subido a bordo manejaba mediante palancas. Teniendo en cuenta que el operario tenía una palanca para accionar cada articulación y que cada pata tenía tres articulaciones, la conducción de este gigante de cuatro patas resultaba sumamente compleja y estresante. Los entornos terrestres se empiezan a quedar pequeños pa­ ra la robótica y en los setenta, la NASA inició un programa de cooperación con el Jet Propulsión Laboratory para desarrollar plataformas capaces de explorar terrenos hostiles: los Mars Rovers. El primer Mars Rover enviado a Marte en 1997 fruto de esta alianza seria el Sojourner, de unos 10 kg de peso y 65 cm de largo, que estaba equipado con un brazo mecánico, un dispositi­ vo telemétrico láser, cámaras estéreo y sensores de proximidad. El objetivo final: el espacio. Pero no todo fue un camino de rosas, y al principio no esta­ ba nada claro que los robots fueran a ser realmente útiles. En los años ochenta el director general de la General Motors era un fan 19

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de la tecnología y apostó por crear una firma en asociación con la japonesa Fanuc, anunciando que colocaría catorce mil robots en las fábricas de General Motors para el año 1990. La apuesta de futuro le costó a la General Motors miles de millones de dó­ lares y los robots nunca llegaron a funcionar bien. Alguien contó que los robots se pintaban a sí mismos accidentalmente, y que los parabrisas de los coches habían llegado a caer sobre los asien­ tos en varias ocasiones. Un auténtico desastre. Todos los comienzos son difíciles y parece que el horizonte está infinitamente lejos, pero la robótica ha experimentado un crecimiento espectacular. Solo hace ochenta años que se cons­ truyeron los primeros robots con capacidades muy limitadas y hoy disfrutamos de desarrollos fascinantes. Este impulso se debe principalmente al esfuerzo en investigación que ha tenido lugar a lo largo de estos ochenta años. La investigación se ha ido orien­ tando hacia la búsqueda de soluciones a los problemas que la sociedad demandaba. De esta manera la ciencia resuelve los pro­ blemas tecnológicos y la robótica los incorpora para satisfacer las necesidades humanas. La biografía del robot está marcada por esta relación causa-efecto. Tabla 1 Principales hitos iniciales en la historia de los robots. 1922 1940 1954 1961 1968 1970 1973 1976 1978 1982 1983

Aparece la palabra “robot” en Robots Universales Rossum, de Karel Capek. I. Asimov acuña el término “robótica”. Primeras patentes sobre robots en Reino Unido (Kenward) y Estados Unidos (Devol). Engelberger y Devol fabrican el primer robot manipulador (Unimate 2000). General Electric Corp. construye un robot caminante de cuatro patas. SRI presenta el primer robot móvil con ruedas. Se construye el primer robot con accionamiento eléctrico en la Universidad de Stanford; Cincinnati Milacron Corp. produce el T3 con accionamiento hidráulico y controlado por microprocesador. Se funda ASEA (ABB), primer fabricante europeo; WAVE, primer lenguaje de programación de robots en el SRI. La NASA emplea manipuladores en las sondas Viking 1 y 2 para recoger muestras en Marte. Unimation lanza el PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Se lanza el SCARA en Japón (Makino). Odetics Inc. comercializa el primer robot caminante (ODEX I).

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El reinado del robot industrial El primer trabajo que encuentra el robot es como operario en la industria. Es hacia 1960 cuando se introducen los robots indus­ triales en el proceso de producción y hasta los años noventa do­ minan la investigación en robótica. Según Robotics Institute of America (RIA), un robot indus­ trial se define como “un manipulador multifuncional y reprogra­ mable diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especializados a través de un programa variable de movimientos para realizar una tarea de manufactura específica”. Nosotros ya estamos en condiciones de entender los térmi­ nos de esta definición: manipulador…, reprogramable…, diseña­ do para una tarea (mover materiales, etc.). Todo esto es común a la definición de robot. Lo que caracteriza a un robot industrial es el tipo de tarea para la que se diseña y programa: “una tarea de manufactura específica”. El robot industrial se diseña y progra­ ma para realizar tareas de fabricación industrial. Las tareas tra­ dicionalmente ejecutadas por los robots industriales son la pale­ tización (llenado de cajas y carga de ladrillos), la soldadura (por puntos o por arco), el tratamiento de superficies (pintura por pul­ ­verización y metalizado), el mecanizado (corte por láser, taladra­ do, desbarbado, pulido) y el ensamblaje. Para realizar estas tareas, el robot industrial se diseña como un brazo multiarticulado, con un órgano terminal, que viene a ser el equivalente a la mano. Aunque profundizaremos en la morfología del robot en el capítulo 3, vamos a dar algunas pince­ ladas de la configuración de un robot industrial para facilitar la comprensión de este capítulo. Un brazo multiarticulado lo podemos imaginar como un brazo humano, con varias articulaciones concatenadas: un hom­ bro, que mueve el brazo en varias direcciones, un codo, que mue­ ve el antebrazo en flexión y extensión, y una muñeca que mueve la mano en varias direcciones. Supongamos que queremos co­­ ger una manzana de un árbol. El hombro y el codo permiten po­­ sicionar la mano en cualquier punto del espacio, acercándola a la posición donde se encuentra la manzana. En cambio, el movimiento 21

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de la muñeca permite orientar la mano de manera que podemos agarrar la manzana desde el mejor ángulo. Finalmente los dedos culminan el agarre ejerciendo presión alrededor de la manzana. Una vez la manzana está bien agarrada, el brazo vuelve a moverse a través del hombro y codo para tirar de ella y separarla del árbol. Probablemente sea también necesario un movimiento de torsión de la muñeca para facilitar la rotura del tallo. Todo esto se realiza con una base bien fija, que en nuestro ejemplo del brazo humano es la cintura escapular. En un robot industrial la base está firme­ mente sujeta al suelo, de manera que no hay retrocesos ni efectos de acción-reacción durante la operación. De entre todas las industrias manufactureras, es la industria de automoción la que marca las especificaciones de la robótica in­­ dustrial, debido principalmente al poder en el mercado de esta industria y a sus requerimientos concretos. Estos requerimientos determinan las áreas de investigación predominantes, de las cuá­ les vamos a comentar algunos aspectos fundamentales y de me­ nor complejidad. Las restantes áreas de investigación, por su complejidad, quedan fuera del alcance de este libro. Figura 2 Esquema conceptual de un robot industrial indicando base, brazo multiarticulado y órgano terminal. Brazo multiarticulado Giro de muñeca (cabeceo)

Flexión/extensión del codo

Órgano terminal (pinza) Giro de muñeca (balanceo) Flexión/extensión del hombro

Giro de muñeca (guiñada)

Giro del hombro Base

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Son vitales en un robot industrial la precisión y la repetibili­ dad a la hora de posicionar y orientar la herramienta que trans­ porta en su órgano terminal. Para entender estos dos conceptos imaginemos que nuestro robot tiene como tarea acertar en el cen­ tro de una diana, y le ofrecemos ocho intentos. Se define la preci­ sión como la distancia desde el promedio de los puntos pintados y el punto programado, en este caso el centro de la diana. El robot tiene buena precisión si la nube de puntos pintados en la diana está cerca del centro de la diana, y mala precisión si está lejos. Se define la repetibilidad como el radio de la nube de pun­ tos. El robot tiene buena repetibilidad si la nube de puntos está muy concentrada, y tiene mala repetibilidad si la nube de puntos está muy dispersa en la diana. Figura 3 Ejemplos de precisión y repetibilidad.

Mala precisión Mala repetibilidad

Mala precisión Buena repetibilidad

Buena precisión Mala repetibilidad

Buena precisión Buena repetibilidad

Un robot industrial debe tener buena precisión y repetibili­ dad, y conseguir estas depende de la exactitud de un modelo ci­ nemático. Y ¿qué es el modelo cinemático? Es la representación matemática de la geometría del robot, de la relación entre la po­ sición del órgano terminal en el espacio y la posición de las 23

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articulaciones del robot. Es decir, para una posición angular del hombro, codo y muñeca se consigue una posición y orientación cartesianas (en el espacio X,Y, Z) del órgano terminal. La expre­ sión matemática que nos da esta posición en función del valor de las articulaciones del robot es lo que se conoce como modelo cine­ mático directo. Más complejo es el cálculo del modelo cinemático inverso, que es la expresión matemática que nos indica las posicio­ nes angulares que deben ocupar las articulaciones (qué flexión de hombro, codo y muñeca) para alcanzar un punto deseado en el espacio con el órgano terminal. El lector interesado puede encon­ trar las formulaciones matemáticas de estos modelos en la literatu­ ra especializada (Craig, 1989; Sciavico y Siciliano, 2002). Para garantizar la exactitud de estos modelos cinemáticos, se trabaja en mejorar el proceso de calibración cinemática, que se lle­ va a cabo en cuatro etapas: la primera es el modelado matemático, donde los métodos más utilizados son el método de DenavitHartenberg y la fórmula de producto de exponenciales. El desfase entre este modelo teórico y el modelo real se determina mediante medición directa a través de sensores. De esta forma se puede de­ terminar la verdadera posición del órgano terminal, y mediante técnicas de optimización, identificar los parámetros que varían de sus valores nominales. Finalmente, la implementación en el robot, mediante un lenguaje de programación, dependerá de la compleji­ dad de la máquina, necesitando recurrir a métodos iterativos en los casos más complejos. Otro aspecto importante es la generación del movimiento del robot para realizar la tarea a la que se ha destinado. Aquí in­ tervienen dos etapas, siendo cada una de ellas en sí misma un tema de investigación. Las dos etapas son: la planificación de la trayectoria a seguir por el órgano terminal y el seguimiento de dicha trayectoria por pare del robot. La planificación de la trayectoria consiste en el cálculo de una serie de puntos intermedios que componen el camino a seguir por el órgano terminal del robot para alcanzar un punto final al que se desea que llegue. Este camino elegido debe ser alcanzable por el robot en todos sus puntos, es decir, que debe estar dentro de los límites cinemáticos (espacio y velocidades alcanzables) y 24

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dinámicos (fuerzas admisibles) del robot. La planificación de la trayectoria se realiza de la siguiente manera: 1. Definir el punto inicial y final de la trayectoria del órgano terminal. 2. Dividir la trayectoria en un número finito de puntos. 3. Utilizando el modelo cinemático inverso, convertir cada punto de la trayectoria del órgano terminal en sus correspondientes coordenadas articulares, de manera que obtenemos la trayecto­ ria (con sus puntos intermedios) que debe efectuar cada articu­ lación para que el órgano terminal siga la trayectoria deseada. Una vez que disponemos de los puntos intermedios que tienen que alcanzar las articulaciones, el siguiente problema es ejecutar esos movimientos. Para ello existen diferentes tipos de movimiento: • Trayectoria punto a punto: cada articulación se mueve inde­ pendientemente de las demás articulaciones. El movimiento articular puede ser: -- Movimiento eje a eje: se mueven las articulaciones con­ secutivamente, de manera que la segunda articulación no empieza a moverse hasta que la primera no haya alcan­ zado su punto intermedio. El tiempo total es la suma de los tiempos de cada articulación. -- Movimiento simultáneo: todas las articulaciones empie­ zan a moverse al mismo tiempo. El tiempo final será el de aquella articulación que tarde más tiempo en finalizar su movimiento. • Trayectorias coordinadas (isócronas): el movimiento de to­ das las articulaciones empieza y termina al mismo tiempo, de manera que se ejecutan los movimientos articulares a diferen­ te velocidad. Las articulaciones que deban realizar recorridos más largos se moverán más rápido y las que tengan recorri­ dos más cortos se moverán más despacio. Deben calcularse previamente estas velocidades dadas las trayectorias y los tiem­ pos deseados. 25

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• Trayectorias continuas: se fija explícitamente en coordenadas cartesianas el camino que tiene que seguir el órgano terminal (por ejemplo, una línea recta, o una parábola). Garantizar que los movimientos generados siguen las tra­ yectorias que se han planificado depende de una ley de control. El control automático es un eje fundamental en la robótica y se fundamenta en mantener un valor deseado en una variable. Su funcionamiento se basa en medir el valor de esa variable y com­ pararlo con el valor aceptable utilizando la diferencia para pro­ ceder a reducirla. En el control de trayectorias de un robot, esta variable es la posición de cada articulación, en ocasiones la velo­ cidad, de manera que el sistema de control más básico de un robot se dedica a reducir el error entre la posición de una articu­ lación y la posición planificada. Las técnicas de control pueden llegar a ser muy complejas, y se reparten entre el control de movimientos, cuando el mani­ pulador se mueve libremente, o el control de fuerzas, cuando interaccionan con el entorno. En este último caso, las técnicas de control consiguen que el robot interaccione con el entorno con mayor o menor rigidez, emulando el comportamiento de un muelle (control de rigidez), o que el robot interaccione con el entorno simulando una amortiguación (control de amortigua­ ción), o más difícil todavía, simulando un sistema inercial en el control de impedancia. Se pretende emular el comportamiento biológico del sistema músculo-esquelético durante la interacción de nuestro cuerpo con el entorno. Los músculos y tendones de nuestro sistema músculo-esquelético se adaptan a la rigidez de las diferentes superficies de manera refleja, sin que pensemos en ello. Cuando pisamos sobre una superficie muy rígida nuestro sistema músculo-esquelético reduce su impedancia (la resisten­ cia que ofrece al movimiento), mientras que cuando pisamos sobre una superficie blanda el efecto es el contrario, nuestro mús­­cu­ ­los se ponen más rígidos. Otros esquemas de control del movimiento, como el control híbrido posición/fuerza implementan leyes de control de fuerza en la dirección espacial en la que se contacta con el entorno, y de 26

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posición en las restantes. Por ejemplo si el robot debe cortar una superficie dándole una forma al contorno. Se controla la fuerza de corte ejerciendo mayor o menor presión en la dirección per­ pendicular a la superficie, y se controla la trayectoria en la direc­ ción de avance dentro del plano de la superficie a cortar. Profundizaremos un poco más en los sistemas de control auto­ mático en el capítulo 4. Me quedo aquí en las líneas de investigación de la robótica industrial, aunque únicamente hemos abordado la punta del ice­ berg, lo necesario para poder entender los siguientes capítulos. El lector interesado puede profundizar siguiendo la bibliografía recomendada (García et al., 2007). Ya en los años noventa surgen nuevas áreas de aplicación de robots industriales que imponen nuevas especificaciones, siendo la característica principal la flexibilidad. Las nuevas industrias que implantan robots industriales en su proceso productivo son la industria alimenticia y la farmacéutica. También los servicios pos­ tales buscan sistemas robotizados para automatizar la logística. El requerimiento principal es la capacidad de ajustarse a variaciones en el producto: tamaños, formas, diferente rigidez en el caso de la comida, etc. La capacidad de autoadaptación al producto y al en­ torno determinan las nuevas líneas de investigación en el área de la robótica industrial. La principal está destinada a dotar al siste­ ma de control de la suficiente inteligencia y capacidad de solucio­ nar problemas. Esto se consigue recurriendo a técnicas de inteli­ gencia artificial, que comentaremos en el capítulo 5. Otra solución al control de robots en entornos dinámicos o desconocidos consiste en introducir al operario en el lazo de control, de tal forma que el robot es operado remotamente. El éxito de un sistema de teleoperación radica en la correcta reali­ mentación del entorno del robot, es decir, en devolver al operario la información que percibe el robot, de manera que este pueda corregir los posibles errores. Es fundamental que la información retorne rápido, de lo contrario los retardos causarían la inestabi­ lidad del sistema de teleoperación. Es un efecto similar al que se produce cuando mantenemos una conversación a distancia y se produce un retardo en la llegada del sonido. La conversación 27

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se llena de pausas muy largas, y de pronto ambos interlocutores hablan a la vez, se contesta a una pregunta cuando ya se está formulando la siguiente… vamos, ¡un jaleo! En la teleoperación, esta información puede ser visual, de fuerza o táctil y el retardo puede ser un problema crítico de estabilidad. La telerrobótica es otra gran área de investigación dentro de la robótica que queda fuera ya del ámbito de este libro.

De la fábrica al hogar Con la reciente modernización del primer mundo se ha produ­ cido también un envejecimiento de la población occidental. Esto ha vuelto a cambiar las necesidades del ser humano, y se requieren nuevos tipos de servicios para mantener una cierta calidad de vida. La robótica vuelve, una vez más, a adaptarse a las necesidades del ser humano. Así, desde 1995 el robot en­ cuentra nuevos trabajos en una nueva y prometedora área de la robótica cuyo fin es ayudar a mantener una buena calidad de vida al ser humano. Los tradicionales robots industriales se ven modificados para responder a este nuevo mercado, produ­ ciendo robots personales, robots sociales, robots terapéuticos, robots domésticos, robots cirujanos, robots de asistencia a dis­ capacitados, robots de rehabilitación, robots educativos, ro­ bots de rescate, robots para agricultura, etc. Es lo que recibe el nombre de robótica de servicio: robots al servicio del ser hu­ mano.

Robots personales En Japón la robótica cuenta con una larga tradición por la que todos los ciudadanos sueñan con tener robots personales, hu­­ manoides a su imagen y semejanza. La inversión en robots hu­­ma­ ­noides en este país ha superado a Estados Unidos y se ha con­­ solidado como la primera potencia en este campo. En 1997 Honda presenta el P-3, un humanoide de 1,60 m de altura y 130 kg de peso, capaz de caminar de forma bípeda. Fue 28

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un hito por su habilidad al subir y bajar escaleras. Para llegar a este hito hicieron falta 25 años de intensa investigación. El primer robot bípedo basado en un controlador digital fue desarrollado en la Universidad de Waseda de Tokio en 1972. El robot se llamaba WL-5. Aunque los primeros bípedos fueron máquinas altamente simplificadas bajo control estáticamente es­ table, los desarrollos posteriores han arrojado robots verdadera­ mente sofisticados y extremadamente hábiles como el ASIMO de Honda, el HRP de Kawada Industries o el Qrio de Sony. Estos nuevos desarrollos han alimentado una enorme cantidad de in­ vestigaciones que se pueden agrupar en tres grandes áreas: la generación de la marcha o modo de caminar, el control de esta­ bilidad dinámica o equilibrio, y el diseño de robot. El problema de la generación de la marcha trata de planifi­ car secuencialmente las trayectorias de los pies y del centro de masas del robot. Hay dos enfoques en la generación de la marcha de los humanoides. El primer enfoque consiste en la generación de un modo de caminar fuera de línea, esto es, una serie de tra­ yectorias prefijadas y que se repiten cíclicamente. Este enfoque, sin embargo, no puede hacer frente a la adaptación a entornos cambiantes. El segundo enfoque es una mejora que genera pe­ riódicamente la trayectoria más adecuada y determina los ángu­ los deseados de cada articulación sobre la marcha. También se han hecho esfuerzos en la reducción del consumo de energía durante la locomoción. Lo cierto es que estos robots humanoides presentan un consumo energético enorme, y por este motivo se trabaja en di­ seños de robots bípedos que consiguen implementar la marcha de forma mucho menos costosa. Estos robots, conocidos como cami­ nantes pasivos (passive walkers), exhiben una eficiencia compara­ ble a la de los humanos. Esto se debe a que basan su funciona­ miento en la dinámica pasiva, es decir, en el almacenamiento energético en sistemas elásticos, no hay actuación directa en todos los movimientos, únicamente se usa actuación para compensar las pérdidas. En cambio, los humanoides activos son sistemas actua­ dos en el total de sus movimientos utilizando la tecnología con­ vencional de la robótica: la unión motor-transmisión. Como 29

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contraprestación, la robustez y capacidad de adaptación al entor­ no de los humanoides actuados supera con creces a los inestables caminantes pasivos, que únicamente pueden caminar por suelos llanos y lisos. Y es que mantener un robot bípedo en equilibrio bajo uno de sus pies, mientras la otra pierna se mueve hacia adelante, al igual que su centro de masas, es una tarea extremadamente com­ pleja, y por eso se ha convertido en el tema de investigación más importante de la robótica bípeda. Mientras los robots industria­ les se programaban para que el órgano terminal llevara a cabo tareas de soldadura, o pintura, un robot bípedo se programa pa­ ra que camine sin perder el equilibrio. Esa es su tarea. La tarea de mantener el equilibrio del robot se consigue utilizando información proveniente de sus sensores, principal­ mente sensores de fuerza en los pies, sensores de posición en sus articulaciones, y acelerómetros en el cuerpo, proporcionando el valor de las fuerzas que actúan sobre el robot: las fuerzas de reac­ ción del suelo y la fuerza de inercia en el centro de masas. Con esta información se trabaja en algoritmos matemáticos que sirvan para controlar las fuerzas dentro de unos límites que, de sobrepa­ sarse, supondrían la pérdida de equilibrio del robot y, en conse­ cuencia, su caída. En la literatura de robótica bípeda se utiliza am­ pliamente el criterio del punto de momento cero, del inglés zero moment point (ZMP). El ZMP es el punto en el plano de apoyo (el plano en el que se encuentran sus puntos de apoyo, es decir, sus pies) por donde pasa la resultante de las fuerzas de reacción del suelo. El robot bípedo se considera dinámicamente estable si el ZMP se encuentra dentro del área de apoyo (denominada polígo­ no de apoyo por ser el área encerrada dentro del polígono convexo que forman sus apoyos o pies). La mayoría de los autores tratan de controlar la estabilidad del robot mediante el control del ZMP, de manera que el controlador actúa sobre las fuerzas resultantes en el centro de masas, generando movimientos de mayor o menor inercia (jugando con la aceleración del centro de masas) hasta lo­ grar mantener el ZMP dentro del área delimitada por los pies. La investigación en robótica humanoide ha dado lugar a un número importante y representativo de robots personales, 30

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destinados a hacer compañía al ser humano dentro del hogar y a hacer las funciones del enfermero, del asistente, o del mayordo­ mo. La destreza de ASIMO, Qrio, HRP-2 o el reciente ATLAS de Boston Dynamics para subir y bajar escaleras, sentarse y ponerse de pie, correr e incluso bailar demuestra lo que la investigación es capaz de resolver cuando se apuesta por ella. Aunque en el proce­ so, estos humanoides nos han regalado también algunos momen­ tos divertidos, como el espectacular fallo de ASIMO en 2006 mientras subía unas escaleras ante un auditorio repleto. ASIMO se dirigió hacia las escaleras, se detuvo frente al primer peldaño, giró su cabeza para mirar al público, y muy orgulloso comenzó el as­ censo. Subió tres peldaños y de repente se congela como si fuera a dar la vuelta y empezar a cantar. Pero qué iba a cantar. Se había quedado literalmente tieso, “colgado” en el argot informático, con una rodilla ligeramente flexionada. La postura no era como para mantener el equilibrio y ASIMO se estampó en el suelo tras gol­ pearse con cada uno de los escalones que había subido. Allí per­ maneció en el suelo pocos segundos, ya que los miembros del equipo de Honda rápidamente atenuaron las luces y taparon al robot con un biombo que tenían muy a mano por alguna razón. Una vez resueltos los problemas de equilibrio dinámico du­ rante la locomoción, se trabaja en resolver los problemas de inte­ racción entre humanos y robots. Las nuevas tendencias en robó­ tica humanoide se centran en mejorar la capacidad del robot para interactuar con los seres humanos de forma segura y la ca­ pacidad del robot para comunicarse con el humano e incluso para expresar emociones. El objetivo final será introducir los ro­ bots humanoides en el entorno humano, para ayudar a los ancia­ nos, a los discapacitados, para entretener a los niños y para co­ municarse en una lengua natural. Los temas de investigación incluyen: • Interfaces intuitivas humano-robot, como los sistemas de re­ conocimiento de voz, el electromiograma que detecta la vo­ luntad de movimiento muscular, el electrooculograma que detecta el movimiento ocular, y las muy recientes interfaces cerebrales que interpretan la actividad cerebral. 31

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• La seguridad en la interacción humano-robot, que se está en­ focando desde dos vertientes: el diseño del robot haciéndose especial hincapié en los sistemas de control de la actuación, capaces de reducir las cargas de impacto asociadas a movi­ mientos no controlados, y por otro lado, mediante la planifica­ ción del movimiento del robot. El capítulo 5 de este libro profundiza en la interacción huma­ no robot. La investigación en robots humanoides al servicio del ser humano abre nuevas áreas de aplicación de la robótica. El enveje­ cimiento de la sociedad obliga a buscar soluciones para cubrir las necesidades psicosociales de nuestros mayores. Se produce un au­ ge en el desarrollo de mascotas sociales, capaces de expresar emo­ ciones. Se denominan robots sociales. La investigación en robots sociales es muy reciente, consi­ derándose el robot KISMET, desarrollado en el MIT Media Lab a finales de los noventa, un referente en esta línea, una cabeza con aspecto de Gremlin que expresaba alegría o tristeza cambiando la inclinación de sus orejas, la posición de la mirada, y la curvatura de la boca. Los trabajos con el KISMET evolucionaron al robot Leonardo, ya un Gremlin de cuerpo entero y que posteriormente se comercializó como el conocido Furby, una mascota peluda, aunque mecánica por dentro, que reacciona ante estímulos y pue­ de comunicarse mediante más de 800 frases en su propio idioma, el furbish, o en otras lenguas. Estos robots aprenden de manera similar a la humana, por imitación y por tutela. Otras mascotas robóticas conocidas son el perrito de SONY, Aibo, o el pequeño y fascinante NAO de SoftBank Robotics (antes Aldebaran Robotics). En los últimos años los robots móviles han encontrado apli­ cación en la robótica doméstica: los Roomba de iRobot se han vendido por millones en Estados Unidos y Europa, y hoy abun­ dan en los hogares en España. Según la Federación Internacional de Robótica, en 2019 se vendieron más de 23 millones de robots personales, un 34% más que el año anterior. El valor de estas ventas alcanza los 6 mil millones de euros. Los precios unitarios de los dos segmentos 32

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principales, los robots aspiradores y los robots de juguete, han dis­ minuido en los últimos años. Hoy en día, los robots aspiradores básicos ya están disponibles por menos de 100 euros. Un mercado en crecimiento es el de los robots de asistencia a personas mayores o discapacitadas. El valor estimado de las ven­ tas aumentó en 2020 un 17%, hasta superar los 90 millones de euros. Numerosos proyectos de investigación en muchos países se centran en este enorme potencial de los robots de asistencia. A di­ ferencia de la mayoría de los robots de entretenimiento, estos ro­ bots son productos de alta tecnología.

Robots médicos Sin ningún ánimo de restar importancia a las restantes aplicacio­ nes de los robots de servicio, la robótica médica viene siendo protagonista de la robótica de servicio de tipo profesional. Su importancia no radica únicamente en el tipo de aplicación tera­ péutica, sino que además existe una diferencia económica, ya que acaparan casi la mitad (47%) del total de las ventas de robots de servicio profesionales en 2019. Este valor se ve impulsado principalmente por los sistemas de cirugía robótica, que son el tipo más caro en el segmento. Las ventas alcanzaron un nuevo récord superando los 5.000 millones de euros, un 28% más que el año anterior. Para 2022, las ventas de robots médicos tienen el potencial de más que duplicarse, superando los 11.000 millones de euros. Alrededor del 90% de los robots médicos proceden de proveedores estadounidenses y europeos. Así lo indica el infor­ me World Robotics 2020 - Service Robots. Los robots médicos son los más caros del mercado, con un precio unitario medio de 1,2 millones de euros, incluyendo acce­ sorios y servicios. Estos robots no se crean ni sirven para reem­ plazar a personal tan cualificado como son los médicos y enfer­ meras, sino para ayudarlos en las tareas rutinarias y que requieren gran precisión, como es la cirugía mínimamente invasiva. La robótica médica es un campo prometedor que realmen­ te despegó en la década de 1990. En 1980 comienzan las pri­­ meras experiencias quirúrgicas con robots en neurocirugía y 33

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ortopedia, pero no es hasta 1985 cuando el robot PUMA 560 introduce una aguja en el cerebro. Desde entonces, ha surgido una amplia variedad de aplicaciones médicas: la telecirugía, la formación quirúrgica, el telediagnóstico, la rehabilitación, la asis­ tencia a discapacitados. En 1999 se presenta el robot quirúrgico más avanzado cono­ cido hasta la actualidad, el daVinci Surgical System, que en el 2000 obtiene la validación de la FDA para realizar procedimientos de cirugía abdominal vía laparoscópica. Tras más de 25 años en desa­ rrollo el daVinci se ha consolidado como el proyecto más avanzado en robótica quirúrgica. Desde 1997 se han ido realizando diversos procedimientos de cirugía abdominal con buenos resultados. La realización de cirugía cardíaca compleja, como el by-pass aortocoronario, representó un impulso para la credibilidad del sistema. Los robots asisten al médico en las operaciones cardiovas­ culares y hacen posible el ajuste milimétrico de las prótesis. Hay, sin embargo, muchos desafíos en la aplicación generalizada de la robótica en el campo de la medicina, debido principalmente a cuestiones tales como la seguridad, la precisión, el coste y el re­ chazo al uso de esta tecnología. De toda la variedad de aplicaciones potenciales, la robótica médica se ha establecido en dos aplicaciones: la telecirugía y la cirugía mínimamente invasiva. La precisión y la miniaturización de estos robots los hacen muy adecuados en el ámbito de la ciru­ gía cardiaca, gastrointestinal, pediátrica o de la neurocirugía. La robótica médica hereda la configuración master-slave, constando de dos componentes principales: • El puesto de trabajo del cirujano, equipado con un dispositivo maestro y monitores para la visualización de imágenes y otros datos, con lo que el cirujano visualiza la intervención y co­­ manda el movimiento del robot. La consola permite también utilizar un sistema de fluorescencia que ayuda al cirujano a localizar los vasos sanguíneos, permitiendo reducir el sangrado du­­rante las operaciones. La comodidad del cirujano durante la intervención evita la fatiga que afectaba a muchos cirujanos que operaban de pie en operaciones largas y complejas. 34

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• El quirófano robotizado, donde se encuentran el robot (slave) que interviene al paciente adecuadamente sensorizado para proporcionar la información al cirujano. El robot obedece a las manos del cirujano y le dota de una gran libertad de mo­ vimiento, filtrando el temblor y aumentando la precisión. Los robots médicos tienen ya una impresionante historia de cuarenta años, pero en la actualidad se está produciendo un au­ mento sin precedentes de nuevos sistemas y aplicaciones clíni­ cas. La robótica quirúrgica está entrando en nuevos ámbitos, alcanzando nuevos niveles de integración, que requieren habili­ dades de manipulación y toma de decisiones muy sofisticadas, tanto por parte del ser humano como de la mecatrónica. La últi­ ma generación de robots no solo funciona como una extensión ágil de los ojos y las manos humanas, sino que también se con­ vierte en un colaborador hábil e inteligente del cirujano. Las ten­ dencias actuales incluyen la integración perfecta de imágenes preoperatorias e intraoperatorias junto con el apoyo (limitado) a la toma de decisiones que se ofrece a los médicos, tanto en tér­ minos de planificación quirúrgica como de movimiento. El em­ pleo de herramientas inteligentes y de métodos de diagnóstico directo e indirecto in vivo también va en aumento. Las aplicacio­ nes de microcirugía se han visto potenciadas por una plataforma robótica estable. Algunas empresas hablan ya de la introducción de robots quirúrgicos cognitivos, que pueden abrir la era de la ci­ rugía 4.0, en la que los procedimientos se potencian con la ciencia de los datos quirúrgicos y se apoyan en la analítica y la optimiza­ ción de los big data. Estos y otros muchos avances tecnológicos están por llegar. Se cree que el futuro próximo de la robótica médica pasa en gran medida por los sistemas controlados de forma coope­ rativa, en los que robots y humanos comparten el control, para aprovechar las ventajas de ambos. A largo plazo, los humanos podrán beneficiarse de las ventajas de los sistemas médicos au­ tónomos. Otro aspecto relevante es la realimentación de fuerza y háp­ ​​ tica en aplicaciones de telecirugía. Puesto que gran parte de los 35

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desarrollos en telecirugía se basan en el esquema master-slave, y estos sistemas tienen la capacidad de realimentar, devolver o transmitir de nuevo al cirujano las fuerzas de interacción con el paciente a través del manipulador maestro. Aunque las limitacio­ nes de los manipuladores esclavos en la detección de las fuerzas entre la herramienta y el tejido pueden reducir un poco esta ca­ pacidad. El campo de la robótica médica se está expandiendo rápi­ damente y los resultados son impresionantes, como demuestra el número de dispositivos comerciales que se utiliza en los hos­ pitales. Otro campo de aplicación de creciente interés dentro de la robótica médica es el ámbito de la rehabilitación y la asistencia a la movilidad de personas con discapacidad. La actividad en el campo de la robótica de rehabilitación y asistencial se inició en la década de 1960 y ha evolucionado poco a poco a través de los años hasta la primera década del siglo XXI, cuando los pri­ meros productos comerciales ya empiezan a estar disponibles. El campo de la robótica de rehabilitación y asistencial está menos desarrollado que el de la robótica médica, que hereda directamente los avances tecnológicos alcanzados por la robó­ tica industrial. Sin embargo, las especificaciones de los robots en estas dos áreas de aplicación son muy diferentes. Las dife­ rencias surgen de la participación directa del usuario en la tarea de rehabilitación o asistencia. Los robots manipuladores son típicamente potentes y rígidos para posicionar la herramienta con velocidad y precisión. El robot manipulador funciona de forma autónoma y, por razones de seguridad, no se permite la interacción humana. En cambio los robots de rehabilitación y asistencia deben operar en cooperación y en contacto con el usuario, por lo que su funcionamiento debe acomodarse al usua­ ­rio y debe facilitar la interacción de forma segura. Más aún, un robot de rehabilitación debe incorporar interfaces humano-ro­ bot adaptadas para las personas con discapacidad o simple­ mente para personas no cualificadas en la programación de un robot. Las líneas de investigación en este campo se desdoblan en dos grandes grupos. 36

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Robots de rehabilitación

La rehabilitación de personas que han sufrido una lesión múscu­ lo-esquelética, o necesitan recuperarse tras una cirugía articular, es un campo de aplicación en el que la robótica aporta grandes beneficios. Los estudios en el ámbito de la rehabilitación física concluyen que las claves del éxito de un protocolo de rehabilita­ ción son la especificidad (determinados ejercicios bien seleccio­ nados para recuperar la función), la repetibilidad (número de repeticiones necesarias de un ejercicio concreto), la intensidad (cuánto es necesario entrenar, o número de repeticiones dividido entre el tiempo de terapia), y el tiempo (cuanto antes se comience la rehabilitación, mejores serán sus resultados). La robótica, por sus características de repetibilidad y precisión, tiene un gran po­ tencial para revolucionar la rehabilitación física, y así lo demues­ tran los avances en el área. El exoesqueleto MAK de la empresa Marsi Bionics, adquirido por Sanitas, consigue revolucionar la rehabilitación tras una artroplastia total de rodilla (sustitución de la articulación por una prótesis) reduciendo el tiempo de rehabi­ litación en un 60% y consiguiendo la recuperación funcional de la articulación en un posoperatorio sin dolor. Aunque la robótica de rehabilitación comienza con la reha­ bilitación del brazo, por su evidente semejanza con el robot in­ dustrial, los intentos por desarrollar robots para la rehabilitación de la marcha humana no se hacen esperar. El entrenamiento de la marcha humana es una de las claves de la neurorrehabilita­ ción, es decir, la rehabilitación de enfermedades de origen neu­ rológico, como el daño cerebral o la lesión medular. Los avances en robótica bípeda abren la puerta a los exoesqueletos de miem­ bro inferior, es decir, robots ortésicos que se acoplan a las pier­ nas y al tronco del usuario y cuyas articulaciones generan el movimiento de las del usuario, proveyendo a este, bien de un aumento de la fuerza que le falta para completar la marcha, bien de la locomoción completa. La robótica vestible para el entrenamiento de la marcha consigue explotar los principios de la rehabilitación neurológica (o neurorrehabilitación) basados en la neuroplasticidad. Esta de­ fiende que el cerebro humano tiene la capacidad de adaptarse a 37

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cambios a través de conexiones neuronales. Cuando el cerebro sufre un daño, es posible repararlo enseñando al cerebro a rehacer las conexiones. Esto es lo que se conoce por neurorrehabilitación. Las grandes cualidades de la robótica de repetibilidad, intensidad y especificidad se adaptan perfectamente a los principios de la neurorrehabilitación. Otras claves para una neurorrehabilitación eficiente son el inicio temprano, el desafío o reto al paciente para aprender en niveles crecientes de dificultad, la generalización de los ejercicios a la vida cotidiana, y la motivación del paciente. Los exoesqueletos de miembro inferior para entrenamiento de la marcha constituyen un campo creciente de la investigación internacional de robótica. Los primeros dispositivos robotizados de entrenamiento de la marcha (RGT, del inglés robotic gait training) son para uso hospitalario y en centros de rehabilitación; dispositivos tales co­ mo Lokomat, comercializado por Hocoma. Tales exoesqueletos explotan los principios de repetibilidad y especificidad, impri­ miendo el movimiento de caminar en las piernas de un paciente que está suspendido a través de un arnés sobre un tapiz rodante. El robot se acopla a sus piernas y mueve sus articulaciones según un patrón de marcha predefinido. Vale la pena señalar que estos dispositivos no son portables, por lo que su uso está restringido a la rehabilitación periódica en el hospital. Resolver el problema de la portabilidad, aunque tecnológicamente difícil, permitiría mejorar las capacidades de esta rehabilitación, explotando los principios de tiempo (un dispositivo portable podría empezar a movilizar al paciente en la cama del hospital el mismo día de la lesión), motivación (al facilitarle la movilidad espacial para reali­ zar actividades retantes), y generalización o transferencia de los ejercicios a la vida real, durante las actividades diarias, contribu­ yendo así mismo a la mejora de su calidad de vida. Con el fin de poder explotar estos principios, en la última década se ha producido un avance muy importante en el desa­ rrollo de exoesqueletos portables o vestibles. Estos exoesqueletos llevan integrados en su estructura tanto los accionamientos co­ mo la fuente de alimentación, lo que conlleva un aumento signi­ ficativo del peso del dispositivo, y uno de sus principales retos 38

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tecnológicos: reducir su peso y volumen manteniendo sus presta­ ciones. Actualmente los exoesqueletos portables tienen un peso que varía según el fabricante entre 14 y 80 kg. La tecnología está todavía en proceso de maduración y son varios los retos a superar. Actualmente existen 17 exoesqueletos vestibles comercia­ les, de los que caben destacar Ekso de Ekso Bionics (EE UU), actualmente líder en el mercado de la neurorrehabilitación; In­­ dego de Parker (EE UU), ReWalk de Argo Medical Technologies (Israel), Rex de Rex Bionics (Nueva Zelanda), Atalante de Won­­dercraft (Francia), que destacan por sus aproximaciones al mercado doméstico o asistencial, son dispositivos destinados a asistir en la marcha de pacientes con paraplejia, y muy espe­ cíficamente a aquellos parapléjicos en edad adulta con movili­ dad de tronco (lesión medular por debajo de la octava vértebra, T8); ATLAS 2030 de Marsi Bionics (España) que destaca por ser el único indicado para la neurorrehabilitación de niños des­ de los 3 años, habiendo recibido aprobación de la Agencia Europea del Medicamento para su uso en parálisis cerebral y atrofias musculares. En estos dispositivos, las trayectorias articulares de referen­ cia se extraen del análisis de la marcha humana (CGA, del inglés clinical gait analysis), y se controla el movimiento articular del exoesqueleto en base a esquemas de control de posición, impri­ miendo como resultado un movimiento de marcha con la ayuda de dispositivos auxiliares como muletas o andadores. Incluyen un mecanismo de iniciación del paso basado en la detección de un evento propiciado por el usuario, como una inclinación del tronco mayor de un cierto umbral. Los últimos avances consi­ guen la detección de la intención de movimiento del usuario de forma natural, a través de la medida de biosensores, como los electromiográficos que detectan la activación muscular, o bien a través de la fusión sensorial en múltiples localizaciones del cuer­ po (presión plantar, presión articular, inercias) que se analiza a través de algoritmos de inteligencia artificial. El control del mo­ vimiento articular también ha evolucionado hacia una asistencia según necesidad, de forma que el exoesqueleto aporta la fuerza que al paciente le falta para completar el paso. 39

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Las investigaciones más recientes, promovidas por los prin­ cipales fabricantes de exoesqueletos, se enfocan en diseñar exoes­ queletos no solo con fines de rehabilitación en entornos clínicos, sino también como dispositivos de asistencia para su uso diario en casa y en la comunidad, aunando terapia y autonomía. Entrando en este caso en lo que se denomina robots asistenciales. Robots asistenciales

Incluyen prótesis robotizadas y exoesqueletos de asistencia al movimiento, cuyo objeto es aportar a una persona discapacitada la capacidad de moverse en la vida real, ayudando en la ejecu­ ción de las actividades de la vida diaria. Las prótesis robotizadas son miembros artificiales que sus­ tituyen al miembro biológico debido a una amputación. Los avan­ ces en el desarrollo de prótesis robotizadas han sido exponencia­ les, destacando los desarrollos del profesor Hugh Herr en el MIT Media Lab2. Herr desarrolla prótesis con actuadores elásticos que dotan al miembro artificial de una mejor adaptación al usuario y a las diferentes superficies. Herr fundó la spin-off iWalk en 2007 pa­ ra transferir sus innovaciones al mercado. La startup fue adquirida por la alemana Ottobock en 2017, que ya muestra en su catálogo algunas de las innovaciones de Herr. La investigación de Herr en el MIT continúa en varias líneas: en primer lugar, conectar los robots de forma bidireccional y con alta fidelidad, al sistema ner­ vioso periférico o a los músculos y nervios, tanto para percibir la intención motora del sistema nervioso central como para obtener sensaciones aferentes desde el dispositivo que se lleva puesto. La segunda es comprender cómo se pueden acoplar mecánicamente los robots y las máquinas al cuerpo de forma segura y cómoda. Y la tercera es cómo se pueden construir robots que reflejen la diná­ mica, la masa y el volumen de un miembro biológico. Los exoesqueletos de asistencia a la movilidad también son un campo de aplicación que deriva directamente del de exoesque­ letos para neurorrehabilitación, pero con un enfoque parecido al 2. Herr recibió el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica en 2017.

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de las prótesis, tratando de mejorar su ergonomía y simplicidad, reduciendo peso y volumen, para conseguir dispositivos cada vez más imperceptibles. Sin embargo, hasta el momento, los exoesqueletos portáti­ les que se comercializan actualmente o los que están en fase de desarrollo distan mucho de cumplir las características necesarias para permitir la plena integración de las personas con discapaci­ dad física en la comunidad. Cabe decir que, a pesar de las limita­ ciones que presentan los exoesqueletos vestibles de última genera­ ción, cuatro de ellos ya han obtenido luz verde por parte de las agencias reguladoras para ser utilizados en el hogar y, por tanto, fuera de los entornos clínicos. Aunque se consideran seguros, no se ha demostrado su utilidad y eficacia durante las actividades de la vida diaria (AVD). En el caso de ReWalk Personal 6.09, un estu­ dio reciente con pacientes revela algunas limitaciones como dispo­ sitivo de asistencia durante la vida diaria. La necesidad de apoyo en las extremidades superiores (es decir, muletas), la dependencia de un cuidador cualificado para su uso o las opciones limitadas de movilidad (sentarse, levantarse y caminar) son los principales puntos débiles. Se esperan resultados similares con Indego y su versión personal del dispositivo, ya que sus características son similares a las que presenta ReWalk. ATLAS 2030, el primer exoesqueleto pediátrico del mundo, desarrollado por mi equipo en el CSIC y certificado por Marsi Bionics, también ha recibido la autorización CE para su uso clínico y para su uso en el hogar, siempre que un cuidador cualificado supervise su utilización, co­ mo en los casos anteriores. Aunque ATLAS permite un funcio­ namiento sin manos, el exoesqueleto lleva siempre un marco de seguridad, lo que impone restricciones para su uso en terrenos irregulares, escaleras o en presencia de obstáculos. El REX para uso personal, aunque es un exoesqueleto de manos libres, pre­ senta también importantes inconvenientes, como el elevado peso (38 kg), la muy baja velocidad y el movimiento antinatural de la marcha (marcha cuasi-estática). Por último, Wandercraft está trabajando para lanzar una versión personal de Atalante, con la promesa de ser el primer exoesqueleto sin muletas que se mueve dinámicamente en la comunidad. Aunque es prometedor, sin 41

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una gran reducción de peso (actualmente pesa 80 kg) y volu­ men, su utilidad como dispositivo de asistencia en la comunidad parece limitada a juicio de esta autora. Proyectos de investigación como el proyecto BALANCE del Séptimo Programa Marco de la UE, cuyo objetivo era reali­ zar un exoesqueleto que mejorara el rendimiento del equilibrio de los pacientes que se enfrentaban a condiciones que supo­ nían un reto para el equilibrio o que sufrían una falta de capa­ cidad para caminar o mantener el equilibrio durante la marcha, terminaron con resultados interesantes sobre la medición de la pérdida de equilibrio, pero lamentablemente sin su implemen­ tación en un exoesqueleto de marcha vestible. La rigidez de las extremidades del robot y las interferencias electromagnéticas fueron los principales obstáculos encontrados. Sin embargo, se lograron entender algunos enfoques de equilibrio y se consi­ guió un traje de captura de movimiento. Como medidas palia­ tivas, el traje implementado para la captura de movimiento se probó en dispositivos de entrenamiento de marcha robótica estacionaria de miembros del consorcio, como LOPES II, y los resultados parciales pueden aplicarse en los entornos de reha­ bilitación clínica. El problema de la asistencia a la marcha en el mundo real sigue abierto. Es evidente el gran potencial de este campo y la inversión en investigación en robótica de rehabilitación y asistencia puede suponer un auge en la calidad de vida de millones de ciudadanos en el mundo.

Robots de logística Desde la llegada del comercio electrónico, hacer llegar los pro­ ductos a la puerta del cliente o a las tiendas desde las fábricas o almacenes se ha convertido en una tarea ingente para las empre­ sas de logística. La solución para esta hercúlea tarea de transpor­ te de mercancías a lo largo y ancho se hace así evidente: la llega­ da de la robótica a la logística. El uso de la robótica en la logística ofrece niveles de tiempo de actividad muy superiores a los de la 42

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mano de obra, reforzando la productividad en una amplia gama de entornos profesionales. Durante muchos años, los robots se utilizaron únicamente en la fabricación industrial porque no era seguro que las personas estuvieran cerca de ellos. Sin embargo, en las últimas décadas, las empresas innovadoras de robótica logística han trabajado duro para garantizar la seguridad, engranar la IA y el aprendizaje auto­ mático, mejores sensores y capacidades de respuesta, software de gestión de almacenes o software de gestión logística. La robótica aplicada a la distribución industrial significa utilizar robots y ma­ quinaria con sistemas inteligentes para automatizar tareas como la organización, los traslados, la entrega y la recuperación de pro­ ductos en un almacén. La diferencia entre la maquinaria tradicio­ nal y los robots de logística es que estos últimos llevan asociados sistemas de inteligencia artificial que les permiten manejar varia­ bles más complejas y reaccionar con rapidez y autonomía me­ diante algoritmos. Es decir, frente a un brazo robótico en una línea de producción convencional, un robot logístico inteligente puede aprender nuevas tareas y ejecutarlas para cubrir tareas que hasta ahora necesitaban asistencia humana. La inteligencia artificial aplicada a la robótica de logística es fundamental, pero este gran campo de investigación queda fuera del alcance de este libro. Recomiendo al lector interesado en este tema la lectura del libro de López de Mántaras y Meseguer (2017). Los gigantes del comercio minorista, como Amazon y Wal­­ mart, que ya han desplegado robots en sus almacenes y centros de distribución, no harán más que ampliar sus despliegues, especial­ mente a raíz de las situaciones actuales. Apro­­vechar la robótica en la logística reduce alrededor del 70% de los costes de mano de obra de los almacenes y ayuda a las empresas a funcionar día y noche con unos costes mínimos. El valor de mercado de los robots de logística vendidos o alquilados aumentó en 2020 un 110%, hasta los dos mil millones de euros. Casi todo el volumen de negocio de la logística se ge­ neró con robots para uso en interiores. Los robots móviles autó­ nomos se han utilizado inicialmente en los almacenes, pero con la digitalización de la producción, también forman parte de la 43

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fábrica inteligente actual. Por lo tanto, parece posible un fuerte crecimiento continuado del volumen de negocio del 40% o más al año. Las previsiones dicen que las ventas de unidades de robots de almacenamiento y logística en todo el mundo aumentarán hasta unas 620.000 unidades en 2021. Los modelos de negocio de robótica como servicio (RaaS), que están en auge, reducen las dificultades de los clientes para automatizar con robots. La ventaja es que no hay que invertir en hardware, por lo que las empresas no tienen capital fijo, ni costes fijos, ni necesitan ope­ radores de robots. Además del fuerte impulso por las soluciones de almacén para las principales empresas de comercio electrónico, también hay un gran potencial en los hospitales que gestionan su logística con la ayuda de robots de servicios profesionales. Recientemente, la robótica de almacenes en la cadena de suministro ha acelerado su ritmo de forma exponencial. Ha habido una enorme financia­ ción e inversión en el sector. Por ejemplo, Alibaba invirtió 15.000 millones de euros en infraestructura logística robótica y Google invirtió 500 millones de euros en logística automatizada para JD. Evidentemente, ¡el amanecer de la logística robótica ya está aquí! Sí, definitivamente la investigación en robótica está pasan­ do de la industria a los servicios, y la mayoría de los investigado­ res de robótica están entusiasmados con este amplio y emocio­ nante campo. Una anécdota que es muy representativa de la forma en que el campo se está desarrollando es la polémica desatada por el pro­ fesor Engelberger, el creador de la primera empresa de robótica, en la Exposición Internacional de 2005 en Tokio, Japón, al comentar sobre la investigación innecesaria que estaban llevando a cabo de forma desbordante las empresas japonesas y sus instituciones cien­ tíficas para el desarrollo de robots humanoides y mascotas de muy dudosa utilidad. Así Engelberger ganó muchos detractores, que argumentaron rápidamente que el desarrollo de este tipo de robots es un paso necesario en la evolución hacia los robots funcionales, capaces de ayudar a las personas con discapacidad de forma ro­ busta y segura. 44

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Otros defensores del desarrollo de robots personales huma­ noides defienden la importancia de aspirar a tan desafiantes desa­ rrollos debido a la tecnología intermedia a la que pueden conducir en el camino, y que resultaría muy importante desde el punto de vista comercial en otras actividades industriales. Tal vez detrás de todos los argumentos todavía se encuentra el sueño humano del robot universal, el dispositivo único que puede realizar cualquier tarea. Nada mejor para eso que un dis­ positivo parecido a un ser humano (¿a qué otra cosa, si no?). Por lo tanto, permitan que nuestra imaginación vuele en el mundo de la robótica de servicio, pero, por favor, no se olviden de los ro­ bots industriales tradicionales.

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CAPÍTULO 3

Anatomía

Entender la estructura de un robot, sus elementos, las diferentes configuraciones, puede resultar árido. Para facilitar la descripción, en este capítulo vamos a hacer una analogía entre la anatomía de un ser humano y la de un robot, es decir, vamos a describir la es­ tructura, la forma, la topografía, la ubicación y la disposición de sus partes y la relación entre ellas. Con esto tendremos un mapa del cuerpo de un robot y entenderemos las diferentes configuraciones que puede adoptar en función de las aplicaciones de los robots.

Topografía La anatomía topográfica humana nos describe las diferentes partes de las que se compone el cuerpo humano. Siguiendo un criterio topográfico, el cuerpo humano se compone de: • Cabeza • Cuello • Tronco -- Espalda -- Tórax -- Abdomen -- Pelvis • Miembro superior -- Cintura escapular -- Brazo -- Antebrazo -- Mano 46

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• Miembro inferior -- Cintura pelviana -- Muslo -- Pierna -- Pie La constitución física de la mayor parte de los robots indus­ triales guarda cierta similitud con la anatomía del miembro su­ perior del cuerpo humano. Están compuestos por una serie de segmentos rígidos: brazo, antebrazo y órgano terminal; este último se asemeja a una garra o pinza más que a una mano. Estos seg­ mentos están unidos entre sí por articulaciones: la mano se une al antebrazo mediante la articulación de la muñeca, el antebrazo se une al brazo a través del codo y el brazo se une a la cintura a través del hombro. La cintura escapular se une a la base fija. Más adelante veremos que no todos los robots industriales tienen una configuración antropomorfa, siendo el tipo de articulación la que determina la configuración o anatomía del robot. Entre los robots de servicio encontramos ejemplos que co­ mo el robot industrial sí tienen esta estructura antropomorfa del miembro superior. Es el caso de algunos robots para medicina, de los robots de asistencia y algunos robots de rehabilitación, concre­ tamente aquellos que rehabilitan el miembro superior del pacien­ te. Sin embargo, otros robots, como los exoesqueletos de miembro inferior, tienen la estructura (como es lógico) del miembro infe­ rior, y se componen de una cintura pelviana y dos piernas, cada una compuesta por muslo, pierna y pie. De nuevo, estos segmentos se unen mediante articulaciones: cadera, rodilla y tobillo. A diferen­ cia de los robots industriales, los exoesqueletos de miembro infe­ rior no tienen una base fija, sino que la pelvis puede moverse libre­ mente en el espacio. Esto es lo que dificulta tremendamente el control del movimiento estable de estos robots. Este problema lo comparten con los robots humanoides, también dotados de miembro inferior, pero además, la mayoría de los robots bípedos modernos incluyen tronco, miembro supe­ rior, cuello y cabeza, es decir, reproducen la anatomía topológica humana. El miembro superior de un humanoide tiene la misma 47

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estructura que el brazo de un robot industrial, aunque incluye una mano similar a la humana, normalmente compuesta por tres dedos articulados y actuados y dos más pasivos. Figura 4 Estructura de un exoesqueleto de miembro inferior.

Sujeción torso

Controlador baterías

Motor cadera Sujeción muslo

Motor rodilla Sujeción espinilla

Motor tobillo Fuente: ATLAS, Centro de Automática y Robótica, CSIC-UPM + Marsi Bionics).

Estos son los robots que más se asemejan a la anatomía humana, pero hay otros muchos que se parecen poco. Por ejem­ plo, la mayoría de los robots móviles terrestres están configurados como un cuerpo en el que el miembro inferior se sustituye por ruedas motorizadas (en ocasiones orugas o patas). Estos robots móviles están dotados de una cabeza sensora, no siempre clara­ mente separada del cuerpo, pero es en ella donde se encuentran los sentidos de la vista que le permiten al robot moverse por su entor­ no. Además, en algunos casos, como es el de los robots de rescate, incorporan un brazo o miembro superior, de configuración similar a la del robot industrial. Las ruedas son los elementos de locomo­ ción más utilizados sobre terrenos preparados, ya que alcanzan 48

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mayores velocidades que las patas y orugas. Para mejorar la trac­ ción se pueden utilizar más de tres o cuatro ruedas y para facili­ tar el paso de obstáculos se pueden utilizar cuerpos articulados. Las configuraciones básicas son: los vehículos con ruedas direc­ trices, con mecanismos diferenciales, con ruedas directrices/­­ motrices o con ruedas especiales que permiten omnidirecciona­ lidad. En los terrenos más accidentados se utilizan orugas o robots con patas. El Mars Rover, Perseverance, es el más reciente de una fami­ lia de vehículos para la exploración de Marte de la NASA/JPL, y el más sofisticado. Aterrizó en Marte el 18 de febrero de 2021 y busca signos de vida anterior, recoge muestras de suelo para su regreso a la Tierra, y prepara el camino para la exploración huma­ na más allá de la Luna. El Perseverance mide 3 metros de largo, 2,7 de ancho y 2,2 de alto, y pesa 1 tonelada, incluyendo un brazo ro­­ bótico de unos 2 metros de largo, capaz de cargar con unos 60 kg. Funciona gracias a dos baterías de ion-litio recargables con la producción eléctrica en los periodos de inactividad de un gene­ rador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) proporcionado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, que utiliza el calor de la desintegración radiactiva del plutonio-238 para generar un flujo constante de unos 110 va­ tios de electricidad. La misión Mars 2020 Perseverance lleva más cámaras que cualquier otra misión interplanetaria de la historia, con 19 cámaras en el propio rover. La NASA pone a disposición del público las imágenes en bruto y procesadas en el sitio web de la misión. Existen otros robots, como los aéreos o los submarinos, en los que el mecanismo de locomoción son hélices o propulsores. Sin ir más lejos, el Mars Helicopter, Ingenio, es una prueba de concepto del vuelo controlado con motor en la exploración pla­ netaria. El helicóptero viajó a Marte a bordo del Mars Rover Perseverance. Una vez que el rover llegó a un “aeródromo” ade­ cuado, soltó a Ingenuity en la superficie del planeta rojo para que pudiera realizar una serie de vuelos de prueba durante una ven­ tana experimental de treinta días marcianos. El helicóptero com­ pletó su demostración después de tres vuelos exitosos. En el 49

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primer vuelo, el 19 de abril de 2021, Ingenuity despegó, ascendió hasta unos 3 metros sobre el suelo, se mantuvo en el aire breve­ mente, completó un giro y aterrizó. Fue un hito importante: el primer vuelo motorizado y controlado en la delgadísima atmósfe­ ra de Marte y, de hecho, el primer vuelo de este tipo en cualquier mundo más allá de la Tierra. A continuación, el helicóptero realizó con éxito otros vuelos experimentales de mayor distancia y altitud. Una vez completada la prueba de concepto con éxito, Ingenuity pasa a una nueva fase de demostración de operaciones para explorar cómo pueden trabajar juntos los futuros vehículos y exploradores aéreos.

Articulaciones y movilidad La articulación es el elemento de unión de dos segmentos conse­ cutivos y permite el movimiento relativo de ambos. La articula­ ción antropomorfa es rotacional, de manera que el movimiento relativo entre dos segmentos es una rotación. Así, el codo permi­ te que el antebrazo gire respecto al brazo. Este giro se produce en torno a un eje de rotación, que es el eje principal de la articu­ lación. En robótica, a los segmentos se les denomina eslabones, porque son los eslabones de una cadena: la cadena cinemática. Este es el nombre genérico que recibe la concatenación consecu­ tiva de segmentos (eslabones) mediante articulaciones, porque no siempre tienen forma antropomorfa. Esto se debe al tipo de articulaciones que se utilicen al ir formando la cadena. De forma genérica, cuando la cadena no sigue una estructura antropomor­ fa, las articulaciones no se nombran hombro, codo, muñeca, sino que se numeran, desde la base que recibe el número 0, hasta la articulación del órgano terminal, que tendrá el número N-1, siendo N el número de articulaciones de la cadena cinemática. Simplificando un poco, existen dos tipos básicos de articula­ ciones que determinan el tipo de estructura mecánica del robot: • Rotacionales (R): producen el desplazamiento relativo de dos eslabones unidos por un eje. 50

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• Prismáticas (P): producen el desplazamiento relativo de dos eslabones a lo largo de un eje. Figura 5 Articulaciones rotacional y prismática.

Articulación rotacional

Articulación prismática

Se puede configurar un robot mediante la concatenación de eslabones unidos mediante cualquier combinación de estos dos tipos de articulaciones. Se especifica la cadena cinemática colo­ cando una inicial R o P, según sea la articulación rotacional o prismática, por cada articulación, enumerando desde la base de la cadena hasta el extremo. Por ejemplo: la configuración RRP significa que el robot tiene las dos primeras articulaciones rota­ cionales y una tercera prismática. Sin embargo, no todas las combinaciones dan lugar a estructuras funcionales, y realmente los tipos de configuraciones existentes en la práctica son los si­ guientes: 1. Robot angular (RRR): Las tres articulaciones son rotacio­­ nales. 2. Robot polar (RRP): Dos primeras articulaciones rotacionales y la tercera prismática. 3. Robot cilíndrico (RPP): Primera articulación rotacional y las siguientes prismáticas. 4. Robot cartesiano (PPP): Las tres articulaciones son prismá­­ ticas.

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Figura 6 Configuración angular RRR.

Figura 7 Configuración polar RRP.

Figura 8 Configuración cilíndrica RPP.

Figura 9 Configuración cartesiana PPP.

Existen además algunas variaciones de las anteriores en la disposición de los ejes principales de las articulaciones, como la configuración SCARA (del inglés selective compliance assembly robot arm) (que corresponde a la configuración RRP). El movimiento de estas articulaciones es lo que imprime movilidad al robot. Así se define el número de grados de movilidad (gdm) del robot como el número de articulaciones que lo consti­ tuyen. Este concepto suele confundirse con el número de grados de libertad (gdl), que se define como el número de movimientos independientes que puede realizar el extremo efectivo del robot en el espacio tridimensional, y que es siempre menor o igual que el número de grados de movilidad. 52

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Figura 10 Grados de movilidad y grados de libertad en las diferentes configuraciones.

Rotación longitudinal Rotación transversal

Para posicionar en el espacio tridimensional un objeto, el robot necesita al menos tres grados de libertad. Para orientar un objeto en el espacio, el robot necesita otros tres grados de liber­ tad. Por lo tanto, si un robot necesita posicionar y orientar una herramienta para poder realizar la tarea para la que ha sido di­ señado, este diseño habrá incluido seis grados de libertad: tres para posicionar la herramienta y tres para orientarla. Por lo general, los robots industriales tienen seis grados de libertad, siendo los tres primeros de cualquiera de las configura­ ciones antes enumeradas, y las tres de la muñeca rotacionales y con sus ejes principales intersectando en un mismo punto. Los tres movimientos de la muñeca reciben la denominación de ca­ beceo (pitch), balanceo (roll) y guiñada (yaw) (véase la figura 2). Estos nombres provienen de la orientación de una aeronave en el espacio. Existen ciertas tareas, como las de ensamblaje, o siempre que existan obstáculos en el entorno, en las que el robot necesita un número mayor de grados de libertad para poder alcanzar po­ siciones u orientaciones sin bloquearse. En esos casos el robot se diseña con más de seis grados de libertad y en este caso el robot se denomina redundante. 53

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En el caso contrario, en el que no son necesarios seis grados de libertad para completar la tarea, la configuración es de un robot con restricciones. La robótica de servicio hereda estas configuraciones de la robótica industrial. Por ejemplo, las patas de los robots caminan­ tes funcionan como manipuladores acoplados, es decir, el movi­ miento de una de las patas afecta a las otras. El diseño de estas patas se basa en alguna de las configuraciones antes descritas (angular, polar, cilíndrica o cartesiana), y la elección de una u otra configuración depende del entorno en el que se vaya a mo­ ver el robot y de la aplicación para la que se destine, como vere­ mos más adelante. Las patas de los robots multipatas (de más de dos patas) suelen diseñarse con tres grados de libertad, ya que estos robots necesitan desplazarse en el espacio evitando puntos de apoyo peligrosos, y para ello necesitan posicionar el pie en cualquier punto espacial. Para posicionar y orientar el cuerpo del robot en el espacio es suficiente con el movimiento de tres patas apoyadas, ya que los movimientos cartesianos de estas patas pueden generar pares de fuerza y giros en el centro de ma­ ­sas del robot. En cambio, las piernas de los robots bípedos necesitan seis grados de libertad para posicionar y orientar el centro de masas del robot, ya que durante la fase de apoyo simple (se llama así al periodo durante el que un pie está apoyado mientras el otro está avanzando en el aire) la pierna es un manipulador convencional en su tarea de orientar y posicionar el centro de masas del robot. Algunas aplicaciones que hemos comentado ya de los ro­ bots de servicio, como los robots para rehabilitación, deben cumplir con su tarea de reproducir el movimiento humano fiel­ mente. Para ello es importante diseñar el robot con un número de grados de libertad suficiente. El exoesqueleto antropométrico usual es de siete grados de libertad para el miembro superior: tres articulaciones en el hombro (flexión-extensión; abducción-aduc­ ción; rotación interna-externa), dos articulaciones en el codo (fle­ xión-extensión; supinación-pronación), y dos articulaciones en la muñeca (flexión-extensión; desviación radial-cubital). El diseño se basa en un estudio de la extremidad superior humana durante 54

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las actividades de la vida diaria, así como en las consideraciones fisiológicas y anatómicas del miembro superior. En cuanto al miembro inferior, los estudios indican que la pierna de un humano puede modelarse con siete grados de mo­ vilidad: tres articulaciones en la cadera (flexión/extensión; ab­ ducción/aducción; rotación interna/externa), una articulación en la rodilla (flexión/extensión), y tres articulaciones en el tobillo (flexión/extensión; eversión/inversión; rotación). Aun siendo es­ tos los grados de libertad que mejor reproducen el movimiento humano, muchos exoesqueletos se realizan con un número me­ nor de grados de libertad para reducir la complejidad del sistema mecánico y de control. Es evidente que cuanto más se aproxime el modelo mecánico del exoesqueleto a estos grados de libertad, más natural y fisiológicamente sana será la marcha inducida en el paciente, pero mayor será el coste del sistema, así como su peso y volumen. En la aplicación de exoesqueletos, conseguir fidelizar el movimiento humano mediante una estructura robóti­ ca que sea imperceptible supone dos objetivos difíciles de conse­ guir en la práctica, ya que el primero requiere muchos grados de libertad actuados y un elevado consumo de energía, lo que se traduce en muchos motores y grandes baterías. Aun así, se está trabajando en nuevos materiales y actuadores tratando de resol­ ver este reto, como avanzaremos en el capítulo 5.

Proporciones Las proporciones del cuerpo humano son las que el proceso evo­ lutivo ha considerado óptimas para las funciones del mismo. De la misma manera, las proporciones de un robot, es decir, la lon­ gitud de sus eslabones son aquellas óptimas para la tarea que debe realizar el robot. El órgano terminal del robot tiene que ser capaz de moverse de unos puntos del espacio a otros, barriendo un área detrminada. El volúmen que se genera por todos los puntos por los que puede pasar el extremo del robot se conoce como volumen de trabajo. El volumen de trabajo lo determinan la longitud de los eslabones y el tipo de articulaciones. Para las 55

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diferentes configuraciones articulares de los robots se produ­­ cen diferentes volumenes de trabajo. El robot cartesiano y el ro­ bot cilíndrico presentan volúmenes de trabajo regulares, en cam­ bio, los robots que poseen una configuración polar, articular o SCARA presentan un volumen de trabajo irregular. Figura 11 Volúmenes de trabajo.

El robot cartesiano presenta un volumen de trabajo prismático.

El robot de configuración cilíndrica presenta un volumen de trabajo cilíndrico.

El robot de configuración polar presenta un volumen de trabajo irregular.

El volumen de trabajo de los robots de servicio se obtiene de la misma manera que se determina el volumen de trabajo de un robot industrial. La gran mayoría de los robots de servicio tienen una configuración antropomorfa o articular: humanoides, exoes­ queletos, prótesis y robots móviles multipatas. El volumen de tra­ bajo de los robots cuya tarea es caminar es el generado por su extremo efectivo, es decir, el pie. Cada pierna tiene por lo general de tres a seis grados de movilidad, suelen ser todas las articulacio­ nes rotacionales, y por tanto su volumen de trabajo tiene forma de elipsoide (una esfera achatada). Este elipsoide define y limita las trayectorias que pueden realizar los pies durante la locomoción. El 56

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volumen de trabajo también define y limita la carga útil que va a soportar el robot, ya que la fuerza que debe generar la articulación depende del cuadrado de la distancia al órgano terminal. Cuanto mayor sea el volumen de trabajo, mayores esfuerzos deberá so­ portar cada articulación, especialmente aquellas que se encuen­ tren más alejadas del extremo. Este es otro factor a tener en cuenta a la hora de seleccionar una configuración articular. Al escoger una configuración cinemática u otra debe buscarse la realización del movimiento con la mayor eficiencia energética, movilidad y volúmenes de trabajo adecuados para evitar interferir con los obstáculos del entorno.

Piernas y manos El volumen de trabajo de un manipulador de 3 gdl es máximo cuando los ejes de las dos primeras articulaciones están dispues­ tos formando un ángulo recto, el eje de la tercera articulación es paralelo al de la segunda y las longitudes de los dos últimos esla­ bones son iguales. Atendiendo a estas consideraciones podemos distinguir tres tipos básicos de piernas: articulares, pantográficas y ortogonales o cartesianas. Por analogía con la biología, cuando estas piernas forman parte de un robot de aspecto animal o in­ secto (como una araña), las denominamos patas. Las patas articulares son aquellas en las que todas las articu­ laciones son rotacionales. Igualando la longitud de los dos últimos eslabones se asegura un volumen de trabajo máximo. Variando la orientación de la primera articulación encontramos dos variantes: • Pata tipo reptil, con el eje de la primera articulación perpen­ dicular al eje longitudinal del cuerpo del robot. • Pata de mamífero, con el eje de la primera articulación para­ lelo al eje longitudinal del cuerpo del robot. La ventaja de la disposición reptil es que el volumen de trabajo es mayor, y la ventaja de la disposición mamífero es que puede soportar mayores cargas. 57

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Figura 12 Configuraciones articulares.

Configuración articular de tipo reptil. Configuración articular de tipo mamífero.

La pata articular, aunque reproduce el diseño antropomor­ fo, presenta algunos inconvenientes: el primero es la compleji­ dad de su modelo cinemático, matemática que debe resolverse en cada periodo de control. Otro inconveniente que presenta este tipo de pata es lo que se denomina trabajo geométrico, que es una pérdida de energía por parte de los actuadores. Es lo que explica la figura 13, que representa tres etapas en la fase de apoyo de una pata de 2 gdl (con articulaciones de cadera y ro­ dilla) mientras propulsa a un robot de izquierda a derecha del dibujo. La fuerza de reacción del suelo (F) se mantiene vertical. La velocidad (v) es constante, por lo que las energías cinética y potencial se mantienen constantes. Sin embargo, en el paso de (i) a (ii) la cadera realiza trabajo positivo porque la articulación gira en el mismo sentido en el que el motor hace fuerza, indica­ do en el dibujo por los símbolos qh y th para el giro y la fuerza articular respectivamente. Al mismo tiempo el motor de la ro­ dilla tiene que permitir el giro de la articulación en el sentido del movimiento qk, pero debe frenar el efecto de la fuerza de reacción del suelo F que, de lo contrario, aceleraría demasiado el movimiento (y se doblaría demasiado la rodilla y caería el robot al suelo), así que este motor ejerce fuerza en contra del movimiento, es decir, frena, lo que en ingeniería se denomina trabajo negativo. En el paso de (ii) a (iii) es la cadera la que frena su movimiento y no la rodilla, luego en esta fase es la ca­ dera la que realiza trabajo negativo. En cada fase, uno de los actuadores desperdicia energía. Esta configuración de pata es 58

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ineficiente energéticamente tanto como lo sería el consumo de combustible en un coche moviéndose con los frenos puestos. Curiosamente es la configuración más utilizada en robots de ser­ vicio y entretenimiento, tanto de tipo mamífero como humanoi­ des, por su mayor similitud a la configuración biológica corres­ pondiente. Las alternativas a la pata articular son menos antropomor­ fas, pero energéticamente más eficientes. Son la pata pantográfi­ ca y la pata ortogonal (o cartesiana). La pata pantográfica se basa en el mecanismo del pantó­ grafo. El pantógrafo se usaba hace 400 años para ampliar o reducir dibujos. Tiene la característica de que el desplaza­ miento de cada articulación se amplifica en el extremo efecti­ vo (C), lo que significa que con eslabones largos se pueden conseguir grandes volúmenes de trabajo con pequeño recorri­ do articular. Figura 13 Concepto de trabajo geométrico. (i)

(ii)

Cadera (+)

Cadera

(iii)

Avance, v

Avance, v

Rodilla (–)

Rodilla

Cadera (–) Avance, v

Rodilla (+)

La velocidad del extremo también se amplifica en la misma proporción, lo que es importante en terrenos muy irregulares donde las patas en transferencia tienen que recorrer trayectorias largas para amoldarse al terreno hasta conseguir el apoyo. Los actuadores pueden alojarse en el cuerpo de la máquina, estando más protegidos contra choques, agua o barro, y además se pueden conseguir patas más delgadas y ligeras, facilitando la locomoción. 59

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Figura 14 El pantógrafo, inventado a principios del siglo XVII para ampliar dibujos.

Además el pantógrafo proporciona desacoplo gravitacio­ nal, con la consiguiente mejora del rendimiento energético. También permite el uso de frenos para bloquear las articulacio­ nes verticales mientras se propulsa el cuerpo horizontalmente, o simplemente se mantiene la máquina erguida sin consumo de energía adicional. Por último, la cinemática es muy sencilla. Como desventaja, la pata pantográfica barre un área cuando el cuerpo se desplaza horizontal o verticalmente. Durante este ba­ rrido la pata puede chocar con obstáculos. Figura 15 La pata pantográfica amplifica los movimientos articulares con desacoplo gravitacional, pero barre un área que puede provocar colisiones con el entorno.

Una configuración de pata que no presenta el problema del barrido es la configuración ortogonal, en la que todas sus articula­ ciones son ortogonales. Existen dos variantes: RPP y PPP. Durante el movimiento del cuerpo, el tercer eslabón se mantiene 60

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vertical y no se mueve, por lo que se evita el barrido y además permite el posicionamiento de la pata en agujeros o zanjas. Además tiene desacoplo gravitacional, con las ventajas energéti­ cas que conlleva. La cinemática es trivial, especialmente en la configuración PPP (correspondiendo su movimiento directa­ mente a las coordenadas cartesianas X, Y, Z) y eso también resta complejidad al control del movimiento. Existen multitud de robots caminantes basados en estas tres últimas configuraciones de pata; en cambio, los robots humanoides se basan en la configuración articular, ya que el principal objetivo de estos robots es ser semejantes al ser humano en diseño y com­ portamiento, dejando en segundo plano su eficiencia energética. Figura 16 Patas en configuración ortogonal: RPP y PPP.

Al igual que las patas o piernas son el elemento que permite la movilidad y la ejecución de las tareas a un robot que camina, en el caso de robots manipuladores la mano es el elemento que permite agarrar un objeto y moverlo o manipularlo. Aunque la investiga­ ción sobre manos robóticas lleva activa más de cinco décadas, la mano más comúnmente utilizada en aplicaciones reales sigue sien­ do una pinza de dedos paralelos. Viene a ser como agarrar con la punta del pulgar y el índice cuando ambos están entumecidos. Esta herramienta puede ser suficiente para acciones sencillas de agarre y traslado de objetos en entornos industriales bien controlados. En los primeros diseños se contemplaban tres configuracio­ nes básicas de pinzas atendiendo al modo de realizar la prensión de los dedos: pinzas de dedos paralelos, rotacionales y de palanca. 61

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En el primero los dedos se mueven en paralelo con respecto al cuerpo de la pinza. Es la configuración más típicamente utiliza­ da, ya que consigue mayor precisión. En la configuración rota­ cional los dedos se abren y cierran al pivotar en un eje, dibujando el extremo de los dedos dos arcos que se unen en el contacto con el objeto. La configuración de palanca hace que el movimiento de la mordaza en el punto de pivote actúe como un cierre de palanca sobre el centro, proporcionando una elevada relación entre fuerza de agarre y peso. En muchas aplicaciones industriales, en lugar de utilizar una pinza se suele dotar al extremo efectivo del robot de una herramien­ ta o de otro modo de agarre: ventosas, agarres magnéticos, etc. Con los años, las configuraciones y diseños de manos han ido evolucionando, primero añadiendo falanges a los dedos, después añadiendo más dedos, hasta llegar a las manos similares a las anató­ micas. Cuando se construyen manos de robots antropomorfas, es un reto encajar todos los actuadores, sensores y estructuras mecáni­ cas en el espacio disponible. Otro reto es mantener el peso total de la mano bajo para que satisfaga los requisitos de carga máxima del brazo al que está unida. Por eso, en comparación con las manos humanas, la mayoría de las manos antropomórficas y las prótesis robóticas no tienen tantos grados de libertad controlables. En los primeros diseños, únicamente se controlaba activamente el movi­ miento de dos o tres dedos, mientras que los dedos restantes eran totalmente pasivos. La mano humana es suave y flexible, con un pulgar cuyo rango de movimiento es difícil de reproducir mecánicamente. En la actualidad, las manos robóticas se construyen de plástico rígido y metal, con motores eléctricos. La estructura rígida re­ sultante es en parte la causa de la falta de destreza en su movi­ miento. Los dedos rígidos que se cierran sobre un objeto pue­ den resbalarse fácilmente en lugar de agarrarlo si no se estima perfectamente su postura en el contacto. Además, aplicar dema­ siada fuerza puede deformar el objeto o romperlo. Una tendencia creciente en robótica es el desarrollo de ma­ nos blandas que pueden adaptarse a la forma de un objeto, absorber fuerzas inesperadas en el momento del contacto, y 62

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compensar el cambio de carga durante la manipulación. En el capítulo 5 hablaremos de esto.

Planos anatómicos El movimiento de los seres humanos está confinado también den­ tro de un volumen de trabajo, y cualquier movimiento de un pie o una mano dentro de este volumen de trabajo se puede ver como la composición de movimientos en tres planos anatómicos (como si se reflejara el movimiento en tres espejos): el plano sagital, que divide el cuerpo en dos mitades simétricas (derecha e izquierda); el plano lateral, también llamado frontal, que divide el cuerpo en la mitad anterior y posterior; y el plano transversal que divide el cuerpo en la mitad superior e inferior. Estos tres planos se cortan dos a dos en los ejes vertical, sagital y transversal. Cualquier posi­ ción o trayectoria del cuerpo puede expresarse dentro del sistema de referencia que definen estos tres ejes ortogonales. El punto en el que se cortan los tres ejes es el centro del sistema de referencia. Figura 17 Planos y ejes anatómicos.

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Los movimientos de las articulaciones humanas se referen­ cian a estos planos anatómicos, de manera que el movimiento del hombro en el plano sagital se considera de extensión si el hom­ bro se mueve hacia adelante, y de flexión si este se mueve hacia atrás. Análogamente se denomina la flexión/extensión del codo, de la cadera y del tobillo. En cambio, el movimiento de la rodilla se considera flexión cuando la rodilla mueve la pierna hacia atrás. El movimiento de las articulaciones en el plano lateral se denomina abducción cuando el miembro se separa del cuerpo y aducción cuando se acerca. Figura 18 Planos y ejes cartesianos en un robot manipulador.

De manera análoga, un robot tiene unos ejes cartesianos asociados a su tarea. Estos ejes, denominados X (sagital), Y (transversal), Z (vertical) permiten definir la posición del órgano terminal del robot dentro de su volumen de trabajo. En cambio, el movimiento angular se denomina mediante la letra griega q seguida de un subíndice numeral3. El número del subíndice es 0 3. Se usa q en el caso de articulaciones rotacionales. Se suele utilizar la letra q como variable articular genérica, para no depender de la configuración articular.

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para la articulación de la base y va incrementándose para las si­ guientes articulaciones hasta la última de la muñeca cuyo subín­ dice es N-1, siendo N el número de articulaciones. Para expresar el sentido de giro de la articulación se utilizan los signos positivo (+) y negativo (–), de manera que el ángulo girado es positivo si la rotación es antihoraria y negativo si es horaria. En los robots humanoides, robots multipatas y resto de ro­ bots de servicios se utiliza la nomenclatura de robótica clásica. En cambio, en los robots de rehabilitación se utiliza directamen­ te la nomenclatura anatómica humana debido a su similitud y a su uso para realizar los movimientos humanos. Una vez definidos los planos cartesianos y los ejes articula­ res, procedemos a poner en marcha el robot. Partimos de una idea clara de la tarea que queremos que realice el robot en este espacio cartesiano y siempre dentro de su volumen de trabajo. Pero hay que tener presente que los elementos que se mueven en el robot son las articulaciones, y que estas cambian su posición y orientación con el movimiento del conjunto. Por este motivo es necesario tener un mapa que nos indique en todo momento ha­ cia dónde y cuánto tenemos que mover las articulaciones del robot para que el movimiento conjunto de todas ellas sitúe el órgano terminal en la posición deseada para la tarea. Este mapa cambia constantemente con el movimiento y se conoce como modelo cinemático inverso. Este modelo es en definitiva un con­ junto de ecuaciones que nos proporcionan el valor de la posición angular de todas las articulaciones para una posición cartesiana deseada del robot. Una vez hayamos programado estas ecuaciones dentro del sistema de control que gobierna el movimiento de nuestro robot, únicamente necesitamos indicarle un camino de puntos a seguir al extremo efectivo para que cada articulación sepa lo que tiene que hacer. Y ya está. Tan solo queda que se produzca el movimiento. Pero ¿quién se encarga de hacer que el robot se mueva? ¿Cómo funciona el robot?

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CAPÍTULO 4

El sistema neuromuscular

Durante los capítulos previos hemos podido hacernos una imagen del robot, de los diferentes tipos de robots, entendiendo cuál es su morfología, cuáles son sus componentes y qué relación existe entre su aspecto o diseño y la función que debe realizar el robot. Hemos dejado para el final lo más importante, cómo funciona el robot. Cuáles son los mecanismos a través de los cuales el robot cumple su tarea. Cómo percibe el mundo el robot, cómo se mueve e interaccio­ na con él, cómo toma las decisiones. A lo largo de este capítulo va­ mos a conocer el funcionamiento de un robot mientras navegamos por el sistema neuromuscular humano.

La función del sistema neuromuscular El sistema neuromuscular del ser humano es el elemento que establece las conexiones entre los mecanismos de percepción y los de acción. Es un sistema de control centralizado que coordina la recepción de señales provenientes del entorno y del propio cuerpo con la actividad que se lleva a cabo en él. Es un mecanismo de toma de decisiones. Tal y como vimos en el primer capítulo de este libro, esto es precisamente lo que caracteriza a un robot, po­ seer la capacidad de tomar decisiones, de unir percepción con acción, sensación con movimiento. El robot tiene un sistema neuromuscular. El sistema neuromuscular humano se compone de recep­­ tores sensoriales, neuronas y fibras musculares que están orga­­ nizados en unidades funcionales. El primer componente es el sistema sensorial o de entrada, el segundo es el sistema nervioso 66

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o transmisor, y el tercero es el sistema músculo-esquelético, sis­ tema motor o de salida. La unión neuromuscular, que es la unión entre el axón de una neurona de un nervio motor y un efector, una fibra muscular, es lo que posibilita el movimiento humano. ¿Qué tipo de conexión y entre qué elementos es lo que posibilita el movimiento de un robot?

El sistema músculo-esquelético El sistema músculo-esquelético humano está formado por un conjunto de estructuras que le dan al organismo la capacidad de movimiento. Permite, por tanto, hacer cualquier tipo de movi­ miento, sea prensil, o de desplazamiento. Este sistema está consti­ tuido por huesos, músculos, tendones y articulaciones. Los músculos trabajan generalmente en pareja. Un buen ejemplo lo encontramos en el brazo. La contracción del bíceps dobla el brazo. Cuando el bíceps trabaja y se contrae, el tríceps se relaja. La contracción del tríceps estira el brazo. Cuando el tríceps trabaja, el bíceps se relaja. Esto se denomina actuación antagonis­ ta porque siempre trabajan de forma opuesta. Se han realizado estudios en los que se ha determinado que el músculo trabaja de manera muy versátil. El músculo trabaja en sus distintas fases como motor, freno, muelle y amortiguador. Esta multifuncionalidad es lo que distingue al músculo de cualquier ac­ tuador hecho por el ser humano y puede ser la clave para conseguir sistemas artificiales de actuación. El músculo está formado por fascículos que a su vez contie­ nen grupos de fibras musculares. En su interior están las células musculares, compuestas de las proteínas miosina y actina. El mo­ vimiento se logra mediante la contracción de células musculares, que hacen trabajo mecánico al contraerse, en cuyo acto se acortan y ensanchan. La miosina contiene la elasticidad de las fibras y la actina provoca la contracción mediante el movimiento relativo de la miosina dentro de la actina. Las variantes en los diferentes tipos de músculo se deben a la diferente distribución de las fibras musculares en el volumen 67

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del músculo. La precisión en la generación de fuerza viene dada por el número de fibras musculares, siendo más preciso cuantas menos fibras musculares contenga. En lo referente a sus propiedades mecánicas, la tensión que provoca el músculo es una función no lineal de su longitud cuan­ do el músculo está activo. Sin embargo, la relación pasiva longi­ tud-tensión es lineal y puede simularse como un muelle. Durante la contracción muscular, también exhibe un comportamiento ve­­ locidad-tensión. A partir de un determinado aumento de la velo­ cidad, la tensión decrece, apareciendo una velocidad óptima en términos de generación de potencia. El modelo más general pro­ puesto para este comportamiento del músculo es el de Hill. Con­ ­siste en tres elementos pasivos y uno activo. El elemento activo es el generador de la fuerza, el elemento elástico en serie representa el funcionamiento elástico del tendón que lo une al esqueleto. El elemento elástico paralelo representa la resistencia pasiva del músculo a estirarse debido a las fibras musculares (miosina) y el amortiguador representa la resistencia dinámica al movimiento que depende de la velocidad. El músculo humano se contrae aproximadamente un 30% de su longitud total y puede ejercer fuerzas máximas de 2N en su compresión. Con un peso aproximado de 100 gramos, tiene una potencia específica de unos 30 W/kg. La frecuencia de tra­ bajo máxima está alrededor de 2 Hz. El músculo de un robot es el actuador. Los actuadores, al igual que el músculo, son generadores de movimiento: transfor­ man algún tipo de energía en movimiento. Los actuadores em­ pleados en la robótica industrial pueden generar el movimiento articular a partir de tres diferentes tipos de energía: eléctrica, hidráulica y neumática. Los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido como fuente de energía y generan movimientos rá­ pidos, pero de precisión limitada debido a la compresibilidad del aire, por lo que es difícil controlar la posición articular. Los mo­ tores hidráulicos utilizan aceite o agua y se caracterizan por una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velo­ cidad. Los motores eléctricos son los más utilizados, por ser la eléctrica una energía más limpia, y por su fácil y preciso control 68

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de posición. Sin embargo, como los hidráulicos, son rígidos, no se acomodan al entorno. Estos actuadores carecen de la versati­ lidad que caracteriza al músculo humano. Figura 19 Modelo del comportamiento del músculo humano. Actuador (fuerza de compresión)

Fuerza

Tendón (elasticidad pasiva)

Amortiguación (resistencia dinámica al movimiento) Fibras musculares (resistencia pasiva al movimiento) Fuente: Hill (1970).

Los robots industriales han resuelto sus requerimientos en base a estos tipos de actuadores, cambiando de electromecánicos a hidráulicos al aumentar el requerimiento de potencia o de ca­ pacidad de carga del robot. Recordemos que estos robots buscan precisión y repetibilidad en su posicionamiento, por lo que la rigidez y precisión de los actuadores convencionales son adecua­ dos para su operación. Pero ¿qué pasa cuando la robótica da un giro hacia los robots de servicio?, ¿pueden los nuevos robots uti­ lizar los actuadores convencionales? La respuesta es: pueden, pero por lo general, no son los más adecuados. Recordemos que los robots de servicio son autónomos, móviles o portables, e interac­ cionan con el entorno y con el propio ser humano. Esto impone ciertos requerimientos de adaptabilidad y seguridad a las articula­ ciones. Los actuadores hidráulicos y neumáticos necesitan fuentes de alimentación voluminosas y pesadas, lo que disminuye mucho la potencia específica (potencia en relación a su masa) e imposibilita llevarlos a bordo de un robot autónomo de pequeño tamaño. Tanto los hidráulicos como los electromecánicos son estupendos para 69

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controlar posición y realizar un buen seguimiento de trayectorias, pero flaquean cuando se trata de controlar fuerzas, por presentar efectos dinámicos dominantes como inercia y fricción. Además son totalmente rígidos, no cabe la adaptación al entorno. Los neumáti­ cos son algo más adaptables, por la compresibilidad del aire, pero también presentan no-linealidades y baja potencia específica. Lo que hace falta es un actuador que emule el comportamiento ver­ sátil del músculo humano. Esto ha provocado un punto y aparte en la robótica para abordar el diseño de nuevos actuadores para robots de servicio, tomando el músculo como modelo. Las primeras investigaciones tratan de buscar soluciones de bajo peso y volumen y que consi­ gan prestaciones similares a las del músculo en potencia, fuerza, deformación y velocidad. Las características globales que deben cumplir son: 1. El robot debe ser autónomo y contener a bordo todos los sis­ temas de actuación. Esto establece unos límites muy severos en los ratios fuerza/peso y potencia/peso de los actuadores. 2. Los actuadores del robot no deben sufrir daños durante un impacto con el entorno y al mismo tiempo deben acomodarse para no provocar daños en el entorno. 3. Los actuadores deben ser controlables en fuerza, ya que los algoritmos de control de la interacción segura con el entorno están basados en fuerzas. Los primeros actuadores para robots de servicio que imitan al músculo natural son los músculos neumáticos. Los músculos neu­ máticos, también denominados músculos de Mckibben, son ac­ tuadores neumáticos formados por una membrana doble. Entre ambas membranas se introduce una malla. Al llenarse de aire el tubo interior, la malla se contrae longitudinalmente con un fun­ cionamiento similar a unas tijeras, al mismo tiempo que contiene la expansión radial. Como resultado, el músculo se contrae un 20%, similar a la contracción del músculo natural. Esta compre­ sión produce una fuerza de tensión en el eslabón al que esté sujeto el músculo. Al igual que el músculo natural, funciona en parejas, 70

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de forma antagonista, y posee acomodación y elasticidad inheren­ tes. El mayor inconveniente de estos actuadores es la histéresis entre las dos membranas, difícil de modelar en el control del mo­ vimiento. Además necesita compresor y distribución de aire. Figura 20 Robot Airic’s Arm actuado por músculos neumáticos.

Fuente: Cortesía de FESTO.

Otra variante son los actuadores que emulan el modelo me­ cánico del músculo, el modelo de Hill. Estos actuadores, deno­ minados actuadores con elasticidad en serie (series elastic actuators, SEA) están formados por un motor como fuente de fuerza que comprime un muelle colocado en serie (a modo de tendón). Midiendo la deformación del muelle se puede calcular la fuerza que se está ejerciendo sobre la carga a partir de la constante elástica del muelle, utilizando la ley de Hook (la fuerza ejercida es propor­ cional a la deformación que sufre muelle). Esto emula al órgano tendinoso de Golgi entre el músculo y el tendón. Con esta medida de la fuerza ejercida se puede cerrar un lazo de control de fuerza. Por otro lado, la presencia del muelle desacopla mecánicamente las no-linealidades del motor de la carga, y la elasticidad absorbe ener­ gía ante impactos. Estos actuadores se diseñaron, desarrollaron y patentaron por el equipo del profesor Gil Pratt del MIT Leg Lab (Pratt y Williamson, 1995) y su concepto ha sido el más utilizado como mecanismo de seguridad en robots que trabajan en contac­ to con seres humanos, ya que amortiguan cualquier impacto. 71

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Figura 21 Modelo mecánico de un actuador con elasticidad en serie.

K muelle F motor

Motor

Posición de la carga

B motor

Los SEA se aproximan bastante al funcionamiento más simple del músculo natural. Los primeros SEA aplicados a ro­ bots en contacto directo con seres humanos se encuentran en las articulaciones del exoesqueleto IHMC Mobility Assist, desarro­ llado por el equipo de Jerry Pratt en el Institute for Human and Machine Cognition de Florida, y en el dispositivo de rehabilita­ ción LOPES, un exoesqueleto no vestible, que camina sobre ta­ piz rodante, desarrollado por investigadores de la Universidad de Twente, en Holanda. En ambos casos, el SEA aporta propie­ dades de flexibilidad articular. Los SEA también se han implementado en robots huma­ noides, Los casos más notables son el robot de la NASA Robonaut 2, que utiliza la actuación elástica en los brazos, y los robots hu­ manoides THOR y NASA-JSC Valkyrie desarrollados para el DARPA Robotics Challenge, También el robot cuadrúpedo ScarlETH (del equipo ETH Zurich), basado en piernas SEA de alta adaptabilidad, del que procede también el robot manipula­ dor ANYpulator. Una de las desventajas de los actuadores elásticos en serie tradicionales es que la elasticidad o rigidez está predeterminada por la constante elástica del muelle que se utiliza. Por tanto, el actuador está limitado a una aplicación específica, con un punto de trabajo determinado, en términos de impedancia mecánica. Los seres humanos son capaces de moverse de forma esta­ ble en entornos naturales y ante perturbaciones imprevistas. El control dinámico de la rigidez de las articulaciones, o más bien 72

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de los músculos que las actúan, es crucial para que los humanos se adapten a los cambios en el entorno. Cuando caminamos por la calle, mientras nuestra mirada y atención están más en los escapa­ rates que en el suelo que pisamos, nuestro sistema neuromuscular está pendiente de todo. A todos nos ha sucedido alguna vez que de pronto hay un desconchado en la acera, y en el lugar de las baldo­ sas hay una capa de arena, donde precisamente va a pisar nuestro pie. Nosotros no nos damos cuenta, porque estábamos mirando el escaparate de la izquierda, pero nuestro sistema neuromuscular se encarga de modificar automáticamente la rigidez de los músculos de nuestra pierna, para asegurarnos la estabilidad, el equilibrio, y evitar que esa pisada en un terreno blando nos haga caer al suelo. Lo notamos también cuando caminamos por la arena de la playa, que nuestros músculos están más rígidos que cuando caminamos por la dura acera. Y eso es porque, para garantizar un contacto estable, la rigidez de ambos cuerpos en contacto debe adaptarse. Si el suelo es rígido, nuestros músculos se adaptan a ese suelo dotando de elasticidad y amortiguación a la pisada. Pero si el sue­ lo es blando, nuestros músculos se rigidizan para evitar un contac­ to inestable. La modulación de la rigidez en el contacto además reduce significativamente el gasto energético y la fuerza transmiti­ da, puesto que al acomodarse al tipo de suelo, el impacto se evita, y en consecuencia la pérdida de energía en el choque. Emulando estas características, y partiendo del diseño del SEA, se han desa­ rrollado nuevos actuadores con elasticidad en serie que permiten variar la rigidez natural del muelle durante su funcionamiento. Se denominan actuadores de rigidez variable. Los actuadores de rigidez (o impedancia) variable son una línea de investigación activa. Tienen un impacto importante en aplicaciones de la robótica en las que el contacto del robot con su entorno es crítico: robots que ayudan a los trabajadores en la industria, robots que cooperan entre sí, y exoesqueletos. En el caso de exoesqueletos de asistencia o rehabilitación de la mar­ cha, las articulaciones cuya configuración mecánica permite va­ riar la rigidez del dispositivo y controlar la posición de la articula­ ­ción en función de las necesidades del usuario o de las condiciones del entorno, son necesarias. 73

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Los avances en la investigación sobre actuadores de im­­ pedancia variable se produjeron gracias al impulso de la Co­­ mi­­sión Eu­­ropea a través de proyectos de investigación como VIACTORS, con el objetivo de desarrollar, explotar e integrar sistemas de actuadores de impedancia variable en robots para manipulación, locomoción y rehabilitación. La mayoría de los actuadores con rigidez variable introducen un segundo motor, en paralelo al motor principal que mueve la ar­ ticulación, para regular la rigidez del muelle, al que comprime o descomprime según interese. Este segundo motor es considerable­ mente más pequeño que el motor principal, aunque debe superar la resistencia del sistema al cambio de rigidez. El resultado es un con­ junto actuador voluminoso y pesado. Versiones más sofisticadas, como el sistema ARES (Cestari et al., 2015), evitan la lucha del se­ gundo motor contra el cambio de rigidez al controlar la posición del sistema de muelles respecto del eje de la articulación, variando así la rigidez torsional equivalente. Para entenderlo, imaginemos que queremos ejercer resistencia a la apertura de una puerta, que puede pivotar sobre el eje de su bisagra. Si tratamos de frenar la puerta apoyando nuestra mano sobre la parte de la puerta más próxima a la bisagra, nos resulta mucho más difícil vencer la fuerza de la puer­ ta que si tratamos de frenarla desde la parte más alejada de la bisa­ gra, donde se encuentra habitualmente el picaporte. Si nuestro bra­ zo fuera un muelle, podríamos pensar que la resistencia que opone el muelle a la apertura de la puerta es diferente según su posición respecto de la bisagra, es decir, que nuestro muelle parece más blan­ do cuando trata de resistirse a la apertura de la puerta desde una posición más cercana al picaporte, o más rígido cuando lo hace más cerca de la bisagra. Variando su distancia al eje de giro, para el mis­ mo ángulo de apertura de la puerta, modificamos la rigidez. El primer exoesqueleto que incorporó estas capacidades de control de rigidez articular fue el exoesqueleto pediátrico ATLAS (Cestari et al., 2017), actualmente comercializado por la empre­ sa española Marsi Bionics. El prototipo de investigación original ATLAS incorporaba el actuador de impedancia variable ARES, desarrollado y patentado internacionalmente por mi grupo en el CSIC. Gracias al empleo de estas articulaciones es posible 74

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aumentar las indicaciones de los exoesqueletos a las enfermeda­ des neurológicas más complejas, como la parálisis cerebral in­ fantil, donde ATLAS 2030 ha demostrado ya su uso clínico, re­ gulando el tono muscular de los pacientes. Los actuadores con elasticidad en serie y con impedancia variable no solo se han empleado en robots caminantes, sino que también se han implementado en robots manipuladores. Aunque la mayoría de los robots industriales siguen mante­ niéndose detrás de jaulas de protección, ha aparecido una nueva generación de robots colaborativos que comparten tareas hasta ahora solo realizadas por humanos (o que estaban parcialmente automatizadas), y en la que humano y robot comparten (al me­ nos temporalmente) el espacio físico, incluso teniendo contacto físico. Estos robots colaborativos se utilizan principalmente para realizar tareas repetitivas, mientras que el humano puede cen­ trarse en tareas que requieren mayores capacidades cognitivas. El contacto físico entre humano y robot prioriza el requerimien­ to de seguridad en esta interacción, y es aquí donde los SEA son buenos. Debido a la conformidad inherente de los componentes elásticos, los SEA proporcionan una fuerza de contacto “suave” con el entorno, lo que supone una ventaja significativa en com­ paración con el actuador rígido. Un adecuado sistema de control hace posible detener por completo el movimiento del manipula­ dor ante un leve contacto con el humano. La lista de robots colaborativos ha aumentado en los últi­ mos años llegando a la cartera de productos de las principales compañías fabricantes de robots industriales. Sin embargo, po­ dríamos diferenciar dos categorías de empresas: las que se han creado expresamente para comercializar un nuevo tipo de robot colaborativo y las “clásicas” de robots industriales, empresas que ofrecen un nuevo robot colaborativo en su cartera o modifican un diseño existente para adecuarlo a las tareas colaborativas. Este último caso sería el de los robots recubiertos con material amortiguador, así como soluciones de software y nuevos sensores que pueden detectar colisiones y detener el robot de forma segu­ ra. Entre ellos, podríamos destacar el Fanuc CR-35iA, el Motoman HC10, el COMAU AURA o los pioneros robots ligeros KUKA. 75

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De la primera categoría, podríamos destacar el robot Sawyer de­ sarrollado por Rethink Robotics. Rethink Robotics entró en el mercado de los robots colaborativos en 2012 con el robot Baxter, un robot de doble brazo, principalmente para investigación y educación. Tras la experiencia adquirida con Baxter, la empresa presentó el robot Sawyer, un robot manipulador para uso indus­ trial en tareas colaborativas. Aunque no se han llegado a comercializar, existen también implementaciones de actuadores de rigidez variable en robots ma­ nipuladores. Cuando el principal requerimiento de estos robots es la interacción segura con un humano, de manera que el robot sea lo suficientemente suave en la detección de un humano, y lo suficientemente rígido para reaccionar inmediatamente, es im­ portante poder cambiar la rigidez física del robot. Los prototipos VSA del profesor Bicchi (Instituto Italiano de Tecnología-IIT y Universidad de Pisa) y CompAct-VSA del profesor Tsagarakis (IIT) son ejemplos de los principales desarrollos llevados a esta aplicación, aunque su volumen y peso ha sido un limitante para su aplicación, tanto en manipulación como en locomoción. El sistema antropomórfico DLR Hand Arm se construyó en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) por el equipo del profesor AlbuSchäffer como plataforma experimental para evaluar el concepto de VSA en tres tipos diferentes de VSA. El manipulador tiene un total de 26 grados de libertad con 7 en el brazo y 19 en la mano. Los actuadores del brazo tienen impedancia variable. Hasta la fecha, los SEA y VSA son los actuadores que mejor emulan el comportamiento del músculo humano en robots. En el capítulo 5 veremos nuevos enfoques prometedores.

El sistema sensorial El sistema sensorial humano está formado por un conjunto de órganos altamente especializados que permiten a los seres huma­ nos captar una amplia gama de señales provenientes de su entor­ no. Esto es fundamental para poder adaptarse a ese entorno. Pero es igualmente fundamental recoger información de su propio cuerpo para mantener un autoequilibrio interno. 76

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Para ambos fines existen en el organismo receptores sensi­ tivos que son capaces de transformar la energía de los estímulos en señales químicas que el sistema nervioso es capaz de interpre­ tar o procesar. Esto es lo que se conoce como transducción. Esas señales son transportadas por vías nerviosas específicas (haces de axones) para cada modalidad sensorial hasta los centros ner­ viosos. En estos, la llegada de esa información provoca la sensación, y su posterior análisis por esos centros nerviosos llevará a la percepción. La sensación y la percepción son entonces, procesos íntimamente ligados a la función de los receptores. Los dos tipos de receptores sensitivos son: 1. Propioceptores: los que captan la información del medio in­ terno, es decir, del propio cuerpo. Nos informan sobre la po­ sición, movimiento y fuerza muscular de las distintas partes del cuerpo. Están ubicados en el interior del cuerpo. 2. Exteroceptores: los que captan la información del medio ex­ terno. Están ubicados en la superficie corporal. Permiten la visión, el tacto o la sensación térmica.

El sistema propioceptivo La propiocepción es la parte del sistema sensorial que informa al organismo del estado interno del propio cuerpo: la posición de los músculos, la fuerza que realizan, el equilibrio. Nos proporciona la capacidad de sentir la posición relativa de partes corporales conti­ guas. La propiocepción permite al sistema neuromuscular regular la dirección y rango de movimiento, permite reacciones y respues­ tas automáticas, como el control del equilibrio, la coordinación de ambos lados del cuerpo, el mantenimiento del nivel de alerta del sistema nervioso central y la influencia en el desarrollo emocional y del comportamiento. El sistema propioceptivo está compuesto por una serie de receptores nerviosos que están en los músculos, articulaciones y tendones. Se encargan de detectar el grado de estiramiento mus­ cular y el grado de tensión muscular. Los receptores propiocep­ tivos que se encargan de proporcionar esta información son: 77

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• El uso muscular es un receptor que se estimula cuando el múscu­ ­lo se estira. De manera que envía información acerca de su estado de elongación al sistema nervioso central. El huso mus­ ­cular es un sensor de posición. • El órgano tendinoso de Golgi es un órgano receptor sensorial propioceptivo situado específicamente en los tendones de los músculos esqueléticos. Monitoriza la tensión del músculo: cuando el músculo se contrae, el tendón se estira, estimulán­ dose el OTG. La frecuencia de trenes de impulsos enviados por el OTG es proporcional a la tensión desarrollada por el músculo. El órgano tendinoso de Golgi es un sensor de fuerza. Estos propioceptores envían la información a la médula y al cerebro para que la procese. Después, el cerebro envía señales a los músculos para que realicen los ajustes necesarios en tensión y estiramiento muscular y así conseguir el movimiento deseado. Esto es en sí mismo un mecanismo de regulación automática. Más tarde profundizaremos en esto. Pero por el momento podemos apuntar que los propioceptores forman parte de un mecanismo de control automático del movimiento. Los músculos son actua­ dores que integran sensores para medir la deformación, la velo­ cidad de deformación y la fuerza que ejercen. Es un sistema completo de servo-actuación. Es un proceso subconsciente y muy rápido, que realizamos de forma refleja. Pues bien, todo este sistema propioceptivo existe también en los robots y cumple exactamente la misma función: informar al cerebro del robot acerca del estado interno del robot. Los recepto­ res propioceptivos del ser humano en el robot se denominan tam­ bién sensores propioceptivos y también son transductores: con­ vierten una señal de un tipo de energía en otra de otro tipo. El proceso de percepción por el que la información es procesada y comprendida, en robótica se conoce como procesamiento de la se­ ñal, y una vez procesada la información, se envía también al cere­ bro del robot: el controlador. De la misma manera que los husos musculares proporcio­ nan la información de lo que se ha estirado el músculo, los sen­ sores de posición proporcionan información de lo que se ha 78

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movido el actuador (modificando por tanto la posición de la ar­ ticulación). Los sensores de posición más utilizados en robótica son los codificadores ópticos. Los codificadores ópticos, más conocidos por su nombre en inglés, encoder, están formados básicamente por un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radial­ mente y equidistantes entre sí de un sistema de iluminación y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposición, a medi­ da que el eje gire se irá cortando la luz que llega al fotorreceptor a cada aparición de una marca, y se irán generando pulsos en el receptor. Llevando una cuenta de estos pulsos es posible cono­ cer el ángulo que ha girado el eje y la velocidad de rotación. Los codificadores ópticos pueden ser incrementales o absolutos, de­ pendiendo de si proporcionan la posición actual del eje o si pro­ porcionan la distancia que se ha movido el eje desde el punto anterior. Los codificadores ópticos absolutos funcionan de ma­ nera muy similar a los incrementales, simplemente utilizando una codificación binaria en lugar de las marcas, lo que permite identificar de forma inequívoca la posición actual del eje. Figura 22 Sensor de posición: codificador óptico incremental. Fotorreceptores Salida digital

Marca de cero LED emisor

Eje de giro

Además de los codificadores ópticos existen otros tipos de sensores de posición: potenciómetro, syncro y resolver. Los robots también utilizan sensores de fuerza, equivalen­ tes al órgano tendinoso de Golgi, para determinar la fuerza que 79

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está ejerciendo el actuador sobre la articulación. Los sensores de fuerza más utilizados en robots son los basados en galgas extenso­ métricas y lo basados en piezorresistividad. Las galgas extensomé­ tricas se deforman al aplicarse una fuerza sobre ellas y generan una señal proporcional a esta deformación. De forma similar, los sen­ sores piezorresistivos sufren un cambio de forma al aplicarse una presión sobre ellos, y generan una señal eléctrica proporcional a esta deformación. Los segundos son bastante más precisos y ro­ bustos que los primeros, pero a un coste económico considerable. Los robots utilizan la información proveniente de estos sen­ sores para controlar el movimiento articular, es decir, asegurar que la articulación se está moviendo de la manera deseada. Para eso se comprueba que la posición o la fuerza que miden los sen­ sores es similar a la planificada. En caso de no ser así, el contro­ lador se encarga de aumentar o reducir la cantidad de energía con la que se alimenta al actuador, para aumentar o disminuir su velocidad de movimiento. Al realizarse dentro del sistema de control articular se puede considerar un mecanismo de regula­ ción automática de tipo reflejo, exactamente igual que el que se realiza en el sistema propioceptivo humano. De todos los mecanismos de regulación automática refleja del ser humano, el único que no ha sido posible reproducir de manera refleja en un robot es el equilibrio. Los humanos contro­ lamos el equilibrio de nuestro cuerpo gracias a los propiocepto­ res situados en el oído interno. El cerebro es capaz de mantener el cuerpo en equilibrio en base a la información de estos recep­ tores de forma refleja. En un robot esta tarea requiere la capta­ ción de información simultánea de prácticamente todos los sen­ sores a bordo del robot: posición, velocidad, fuerza, aceleración, y el procesamiento de esta información y su posterior ejecución de movimientos es tan compleja que difícilmente podemos con­ siderarla una regulación de tipo reflejo. El control del equilibrio de un robot bípedo es una de las áreas más estudiadas de la ro­ bótica de servicio y se continúa trabajando en ella, habiéndose conseguido resultados extraordinarios en algunos robots como ASIMO o ATLAS de Boston Dynamics. Aunque su logro ha si­ do posible gracias a complejos algoritmos basados en modelos 80

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dinámicos que se han implementado mediante la integración de capacidades de percepción, control, y actuación que van mucho más allá de lo puramente reflejo o reactivo. Hemos hablado del sistema propioceptivo. ¿Tendrá el siste­ ma extereoceptivo del robot la misma similitud con el sistema extereoceptivo del ser humano?

El sistema exteroceptivo El sistema exteroceptivo es un conjunto de receptores sensitivos dis­ tribuidos por la piel y las mucosas que reciben los estímulos de origen exterior y que los transmiten a través de los nervios aferen­ tes que llevan la información sensitiva al sistema nervioso central. El sistema exteroceptivo recibe estímulos externos al cuer­ po, al contrario que el sistema propioceptivo, donde los estímu­ los sensoriales proceden del interior del cuerpo. Los receptores exteroceptivos son los receptores visuales, auditivos y táctiles. Exactamente igual, un robot dispone de sensores exterocep­ tivos para recibir la información del entorno en el que trabaja: 1. Visión artificial: utiliza cámaras para adquirir la imagen del entorno, que deberá ser procesada para extraer la información relevante. Las cámaras son los receptores visuales, y funcionan de manera muy similar al ojo humano. Para capturar la informa­ ción de profundidad se utilizan cámaras estereoscópicas, que vie­ nen a ser dos cámaras situadas una junto a la otra, igual que los dos ojos del ser humano. Las cámaras son incluso más rápidas que el ojo humano en capturar las imágenes: el ojo captura unas 30 imá­ ­genes por segundo, mientras que la cámara más rápida (a fecha 2020) puede captar hasta 70.000 millones de imágenes por segun­ ­do. En cambio, la visión humana tiene mayor resolución (576 me­ gapíxeles), frente a la resolución de las cámaras usualmente uti­ lizadas en visión artificial de pocas decenas de megapíxeles (aunque la tecnología para observación astronómica ya ha con­ seguido alcanzar los 3.200 megapíxeles a fecha de septiembre de 2020 en el observatorio Vera Rubin en Chile). Además, exis­ ten cámaras que pueden capturar imágenes en los espectros que 81

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no son alcanzables por el ojo humano: el ultravioleta y el infra­ rrojo. Aun con todo esto, el sentido de la visión humana es mucho mejor que la artificial, y esto se debe una vez más a la complejidad del procesamiento artificial. Es decir, a partir de una imagen en la que solo se ven manchas, distinguir en ella la información semántica relevante (una persona, un objeto, una distancia) es de una tremenda complejidad. Un robot móvil debe evitar colisionar con personas, animales u obje­ tos. Los dos primeros también se mueven en el mismo entor­ no, por lo que además hay que obtener información acerca de la velocidad y dirección en la que se mueven, para posterior­ mente modificar la trayectoria propia del robot. Más difícil todavía: el robot necesita utilizar las imágenes de su entorno para generar mapas, reconocer su propia posición en ese en­ torno y planificar su trayectoria. Todo esto es tan sencillo para el ser humano…. Para el robot son matrices y matrices de nú­ meros, cálculos complejísimos, modelos matemáticos que fi­ nalmente siempre terminan siendo una simplificación no lo suficientemente buena. Reflexionando: una cámara propor­­ ciona muchísima información, pero a veces es más útil la efi­ ciencia al interpretar la información. La visión artificial es un campo de investigación en sí mismo que ha evolucionado de forma significativa, desde los primeros algoritmos bidimensio­ nales de detección de contornos en los años setenta, pasando por la detección de características en el espacio tridimensional, hasta la más reciente interpretación semántica de la escena, en la que ya es posible conseguir que un robot distinga una silla, o una mesa, más allá de su geometría abstracta. La inteligencia ar­­tificial juega un papel relevante en el avance de la visión ar­ tificial. 2. Tacto: el sentido del tacto es primordial en los robots que trabajan en contacto directo con un entorno, sea una superficie, un terreno o un cuerpo humano. Un claro ejemplo son los robots cirujanos. El robot utiliza sensores de fuerza y de presión situa­ dos en el o los extremos que van a estar en contacto con el en­­ torno, para obtener información útil en la interacción. Estos 82

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sensores captan las fuerzas de reacción que el entorno ejerce so­ bre el robot. De esta manera, el robot puede reconocer si está apretando más o menos fuerte, si está introduciendo una aguja co­ rrectamente por un orificio, o si por el contrario está tropezando con las paredes al incidir en un ángulo imperceptible para la visión. El lazo de control se cierra cuando esta información se transmite al cerebro del robot para corregir el movimiento que está realizando, modificando las consignas a los actuadores. Sin embargo, cuando se trata de robots cirujanos, lo que realmente mejora la ejecución de la tarea es que el propio cirujano pueda sentir en sus dedos lo que el extremo del robot está tocando en el interior de un paciente. Este tipo de control se denomina realimentación táctil o háptica y mejora tremendamente la tarea del robot que asiste al cirujano. Se consigue haciendo bidireccional el sistema master-slave, de manera que el master se convierte en slave al reproducir el entorno táctil que está percibiendo el slave. Esto se realiza añadiendo motores servocontrolados en el master que en su movimiento generan más o menos resistencia articular simulando la resistencia que percibe el slave. Actualmente se está dando otra vuelta de tuerca al tratar de transmitir la realimentación háptica al sistema nervioso central hu­ mano, con una clara aplicación en prótesis robóticas, de manera que el amputado no solo pueda manipular objetos, sino también sentirlos. Es una de las líneas de investigación actuales en neuro­ rrobótica, tremendamente fascinante. Siendo la vista y el tacto los sentidos más importantes para las tareas de los robots de servicio, cabe mencionar que también exis­ ten los sentidos del oído y el olfato en los robots, aunque su uso se reduce a tareas muy concretas. El sentido del oído se incorpora muy fácilmente por medio de micrófonos, aunque imita de forma muy simple e imperfecta el sistema auditivo humano. El procesa­ miento del audio es una técnica completamente desarrollada y que no presenta ninguna dificultad hoy en día. Por otro lado, el sentido del olfato se está incorporando a los robots desde hace un par de décadas. Se consigue mediante diversos sensores químicos que son capaces de capturar la presencia de ciertas moléculas en el aire. De esta manera se pueden emplear en los robots para detección de explosivos, sustancias químicas, o en tareas de rescate. 83

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El sistema de control Durante todo este capítulo en el que hemos revisado somera­ mente el sistema neuromuscular, hemos hecho constantes refe­ rencias al sistema nervioso central y al cerebro del robot. Es sin duda el elemento más importante, el que identifica al robot de cualquier otra máquina, como recordamos del primer capítulo, y es lo que más intriga y al mismo tiempo asusta de los robots. Hasta ahora hemos estado viendo la clara analogía que existe entre el robot y el ser humano: músculos, receptores sensoriales, sentidos. Algunos de estos elementos están aún en el proceso de acercarse a la eficiencia de su homólogo biológico, como es el caso de los actuadores, que aún deben mejorarse en prestaciones. Otros, como los sensores, han logrado no solo asemejarse, sino incluso mejorar algunas capacidades humanas, como es el caso de las cámaras de visión. Sin embargo, el cerebro es el elemento del robot que más lejos se encuentra de su homólogo en un ser huma­ no, y es aquí donde se marca la tremenda diferencia que existe entre un hombre y un robot. El cerebro de un robot es su sistema de control. Este puede encontrarse dentro de un computador, a bordo, o fuera del ro­ bot, o puede encontrarse distribuido a lo largo del cuerpo. El sistema de control es el que toma las decisiones y suele tener un funcionamiento jerárquico, como si estuviera formado por ca­ pas, igual que una cebolla. Las capas internas son los controla­ dores de los actuadores, esos que obtienen la información de los sensores propioceptivos y corrigen el movimiento del actuador para garantizar que se sigue el comportamiento planificado pre­ viamente. Este mecanismo de control de más bajo nivel es práctica­ mente igual al que se realiza en el cerebelo humano. Las capas siguientes se encargan de controlar el movimiento del extremo efectivo del robot: la pinza en un brazo manipulador, o el pie en un robot caminante. Las últimas capas, las de más alto nivel, se encargan de la interacción con el entorno, utilizando la exterocep­ ción. Pero el cerebro humano tiene una capacidad infinitamente mayor que estos sistemas de control automático. En el próximo 84

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capítulo veremos las mejores aproximaciones que desde la inteli­ gencia artificial se están consiguiendo a la hora de dotar de inte­­ ligencia en la toma de decisión de un robot. En este capítulo nos enfocamos en las técnicas más convencionales de la teoría de con­ trol automático y tradicionalmente aplicadas en el diseño de los sistemas de control de los robots. Figura 23 Sistema de control que se ejecuta en el cerebelo humano para controlar el movimiento articular. Neurona motriz Músculo

Fuerza

Esqueleto

Posición articular

OT Golgi

Huso muscular

El controlador es uno de los componentes más importantes que definen la precisión y la repetibilidad de un robot. Se utiliza para modificar el comportamiento del sistema físico respecto de un comportamiento deseado, a través de cálculos y la posterior actuación que genera movimiento. Por ejemplo, si queremos mo­ dificar la posición del extremo efectivo de un robot manipulador, es decir, su mano, para que se coloque en una posición determi­ nada, será necesario realizar cálculos geométricos: en primer lu­ gar, calcular la trayectoria que debe seguir esa mano en el espa­ cio para llegar a la posición final deseada. Y en segundo lugar, tendremos que calcular los movimientos relativos de cada una de las articulaciones del robot: hombro, codo muñeca, para cada una de las posiciones intermedias hasta llegar a ese punto final. A partir de ahí, conocidas las posiciones deseadas, el controlador enviará a cada articulación la consigna para moverse (general­ mente una consigna de incrementar la corriente eléctrica del motor). Si no se realiza ninguna comprobación de si esa consig­ na ha dado lugar al movimiento deseado, por ejemplo midiendo el ángulo que ha girado la articulación, es bastante probable que 85

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se acumulen errores que terminen llevando la mano a una posi­ ción cercana, pero diferente de la deseada. Este sería un sistema de control no realimentado o en lazo abierto. Mejor sería com­ probar en cada pequeño movimiento que se ha alcanzado el án­ gulo deseado, y de no ser así, corregir en el siguiente movimien­ to el déficit o exceso. Es lo que se conoce como control con realimentación o en lazo cerrado. Hasta aquí estamos considerando únicamente aspectos geométricos en el cálculo del movimiento; es lo que se conoce como control cinemático. Pero el robot pesa, y es una cadena de eslabones que pesan y que en su movimiento van a generar fuer­ zas inerciales y de interacción entre sus eslabones. Es muy pro­ bable que estos efectos dinámicos influyan en la ejecución de esa trayectoria. Muy probablemente la inercia hará que, en el inicio del movimiento, el robot tarde un poco en seguir la trayectoria deseada.Y es posible que el propio peso del brazo cause un error constante en la coordenada vertical. Conseguir la precisión en el control del movimiento, cuando los efectos dinámicos son signi­ ficativos, requiere construir un modelo matemático de la dinámi­ ca del robot, es decir, estimar su masa, su inercia, su peso, para cada una de las posibles configuraciones del robot en todo su espacio de trabajo. Estos modelos sirven para mejorar el control del robot, y es lo que se conoce como control dinámico. Cuando se trata de robots móviles, cuyo objetivo es despla­ zarse de un punto a otro en un entorno, que no necesariamente se conoce, y en el que pueden existir obstáculos que bloqueen el objetivo, esos “cálculos” pueden llegar a complicarse hasta el punto de requerir “inteligencias” adicionales. Los primeros ro­ bots móviles que se instalaron en las fábricas, alrededor de 1968, eran vehículos guiados automáticamente (AGV por sus siglas en inglés), vehículos que transportaban herramientas y que seguían una trayectoria predefinida. Esta trayectoria estaba marcada en el suelo, utilizando cables al principio, y posteriormente bandas magnéticas. Actualmente los AGV siguen siendo una herramien­ ta muy importante en la logística industrial. Utilizando siste­ mas de guiado más sofisticados, utilizando técnicas de locali­ zación por láser, emitiendo una señal que rebota en deflectores 86

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colocados en puntos conocidos, y calculando el tiempo que tarda el robot en recibir la señal de vuelta, el robot puede conocer la distancia a dicho punto. Con tres medidas correspondientes a tres puntos en el espacio, puede triangular y conocer su posición exacta. La tarea del sistema de control del robot consiste en rea­ lizar las acciones de corrección necesarias para asegurar que el vehículo sigue la trayectoria predefinida. Estas acciones se corri­ gen variando la velocidad del motor que mueve las ruedas, y modificando la dirección. La evolución de los AGV hacia los robots móviles, capaces de decidir por sí mismos la mejor trayectoria en un entorno, llevó al proceso de navegación autónoma. Si en lugar de marcar la tra­ yectoria en el suelo, le proporcionamos al sistema de control un mapa de la planta, en presencia de obstáculos cuya posición en conocida (por ejemplo puestos de trabajo fijos, estrechamiento de pasillos, marcos de puerta), el problema de navegación con­ siste en cuatro fases: percibir el entorno, localizar la posición del robot dentro del mapa, generar la trayectoria que le conduce a su meta, y controlar el movimiento para garantizar que se sigue di­ cha trayectoria. La investigación en este campo avanza, con el objetivo de dotar a los robots móviles de la capacidad de moverse de forma autónoma en entornos desconocidos, aquellos en los que no les podemos proporcionar un mapa del entorno. Es el robot quien tiene que construir su propio mapa del entorno a medida que na­ vega por él. Lo que se conoce como SLAM (del inglés simultaneous localization and mapping) es toda una línea de investigación de varias décadas desde 1990 destinada a resolver el problema si­ multáneo de la localización del robot y la construcción del mapa. La mayoría de los enfoques resuelven el problema de correspon­ dencia entre la medición sensorial y los objetos del mundo real. Una amplia familia de métodos incrementales, los más extendi­ dos, emplea filtros de Kalman para estimar el mapa y la ubica­ ción del robot, y generan mapas que describen la posición de puntos de referencia, balizas o determinados objetos del entorno. Las investigaciones más modernas se centran en la navega­ ción del robot en entornos dinámicos. Este es un problema 87

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considerable, ya que muchas aplicaciones realistas de los robots de servicio se encuentran en entornos no estáticos, en presen­ cia de otros elementos móviles, que pueden ser otros robots, o incluso personas. Es el caso de los robots guía en museos, por ejemplo. La navegación en entornos reales es una de las principales aplicaciones de la inteligencia artificial a la robótica, donde se unen el aprendizaje, el razonamiento y la resolución de proble­ mas. Las aplicaciones de servicio de los robots móviles incluyen la limpieza y el mantenimiento del hogar, donde las aspiradoras y los cortacéspedes autónomos aprovechan toda la investiga­ ción en navegación autónoma para ayudar en el hogar. Los ro­ bots móviles también tienen potencial como guías turísticos en museos y como asistentes en oficinas, hospitales y otros lugares públicos. Estos robots abordan problemas clave de la navega­ ción inteligente, como la navegación en entornos dinámicos, la colaboración multirrobot y la interacción humano-robot. La vi­ gilancia es otra de las aplicaciones potenciales de la tecnología de los robots móviles, y las empresas de seguridad privada ya incorporan robots de vigilancia. Los últimos avances en materia de navegación autónoma nos conducen hacia los coches autónomos, vehículos sin conduc­ tor que son capaces de detectar las líneas de la carretera, las se­ ñales de tráfico, y guiarnos a través de carreteras en un entorno urbano evitando obstáculos y respetando las normas de circula­ ción. El proyecto AUTOPÍA, dirigido por la profesora Teresa de Pedro en el Centro de Automática y Robótica del CSIC es un ejemplo de la investigación en esta materia, por supuesto tam­ bién abordada por Google y varios fabricantes de coches. A día de hoy, existen aún algunas limitaciones técnicas y éticas de cara a la implantación real de estos coches autónomos, aunque es de esperar nuevos avances en un futuro próximo que lleguen a ha­ cerlo posible. Mientras tanto, resultados parciales de estas inves­ tigaciones ya los han incorporado los fabricantes de coches co­ mo sistemas de asistencia al conductor, avisando de posibles distracciones como la reducción de la distancia de seguridad con otros vehículos o sobrepasar las líneas en la carretera. 88

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Manipulación diestra Si hay una cualidad inherentemente humana, esa es la destreza, quizá tan difícil de replicar en máquinas como la propia inteli­ gencia. La próxima vez que rebusques en tu bolso o en el bol­ sillo de tu pantalón para encontrar las llaves, o una moneda en concreto, haciendo uso únicamente del tacto, piensa en ello. Un bebé nace con simples reflejos de agarre, y nos lleva tres años desarrollar un control individual de cada dedo, y otros seis al­ canzar una habilidad de manipulación equivalente a la de un adulto. Aun así, un niño pequeño es más hábil que los robots de hoy en día a la hora de palpar y manipular un objeto de la vida diaria. Aunque la robótica ha hecho grandes progresos en dise­ ño mecánico, percepción y control del agarre y la manipulación de objetos, la manipulación robótica tiene recorrido para seguir haciendo progresos. Hasta la fecha de 2021, ningún robot pue­ de lavar a mano los platos, abotonar una camisa o pelar una patata (Billard y Kragic, 2019). Aunque los seres humanos no son las únicas criaturas capa­ ces de manipular objetos, la manipulación con destreza es una actividad esencialmente humana. La parte de la corteza cerebral motora humana destinada a la manipulación y el gran número y la sensibilidad de los de receptores sensoriales que tenemos en las palmas de nuestras manos y en las puntas de los dedos son claros indicadores del importante papel que juega la manipula­ ción en el ser humano. No debe sorprender entonces que la ma­ yoría de las manos robóticas diseñadas para la manipulación con destreza sean antropomorfas. Para imitar en robots la capacidad humana de manipula­ ción se ha investigado extensamente la manipulación y el agarre humanos. Sin embargo, la mayoría de los enfoques en este cam­ po se fundamentan en la cinemática y dinámica del contacto de un objeto con las yemas de los dedos. Este enfoque ha dado bue­ nos resultados para controlar la manipulación de objetos en en­ tornos estables y controlados, como en los montajes industriales. Los robots pueden adaptarse a ligeras variaciones en las propie­ dades mecánicas de los objetos, pero por lo general, el proceso 89

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de manipulación suele estar diseñado y optimizado para un tipo concreto de objeto. En las primeras aplicaciones en fábricas, los brazos robóti­ cos seguían trayectorias predeterminadas y asumían que los ob­ jetos siempre aparecerían en el mismo lugar, y colocados con una orientación concreta. Hoy en día, los robots manipuladores pueden adaptar su trayectoria para manipular objetos en dife­ rentes lugares, y desde diferentes orientaciones, lo que permite que los objetos se dejen caer en una cinta transportadora en lu­ gar de tener que ser depositados en posiciones exactas por otras máquinas. Las clásicas cadenas de montaje de la industria del automóvil, formadas por robots colocados uno detrás del otro, cada uno realizando una tarea concreta, ahora pueden ser más flexibles. Un paso hacia este objetivo es dotar a los robots de la posi­ bilidad de cambio de herramientas. Para determinar qué herra­ mienta utilizar para una tarea determinada, un robot debe cono­ cer las propiedades del objeto, como su forma, peso, material, etc. Esta información es fácil de obtener en las fábricas en las que se conocen todos los objetos. Sin embargo, este requisito supone una limitación para los robots en otros entornos, en los que el conjunto de objetos que deben manipularse puede no conocerse de antemano. Antes de que un robot pueda manipular un objeto debe ser capaz de agarrarlo con sus dedos. Si el agarre se conceptualiza únicamente como la colocación de los dedos alrededor del obje­ to, el problema puede parecer resuelto. Sin embargo, agarrar un objeto es un problema mucho más complicado. El problema del agarre estable ha sido objeto de investigación en robótica duran­ te décadas. Se trata de un intrincado ejercicio matemático desti­ nado a determinar el número mínimo y las posiciones óptimas de los dedos en la superficie del objeto para garantizar la estabi­ lidad del agarre. La mayor parte de este trabajo teórico se basa en supuestos como un modelo 3D conocido del objeto, un pun­ to de contacto rígido y la ausencia de incertidumbre en el proce­ so. Cuando estas hipótesis de partida no se cumplen, el control del agarre se complica. 90

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Aunque los robots son expertos en la manipulación de ob­ jetos rígidos, siguen teniendo problemas con los materiales flexi­ bles como frutas y verduras o prendas de vestir, que difieren en tamaño, peso y superficie. Las manipulaciones que producen una deformación (por ejemplo, insertar, cortar o doblar) son particularmente difíciles para un robot, ya que se necesitan mo­ delos precisos de las deformaciones (Torras, 2016). Conseguir manos tan diestras como las humanas es difícil, debido a la falta de sensores y actuadores de tamaño, precisión y eficiencia equi­ valentes a los de nuestras manos. Pero las mejoras en la destreza de los robots no se limitan a la ingeniería del hardware. Muchos de los enfoques más recientes aprovechan la dis­ ponibilidad actual de datos. Para evitar el cálculo de un agarre se utiliza una base de datos de agarres y se emplean metodologías de muestreo en tiempo real. Así, cada robot que encuentre el mejor agarre para un determinado tipo de objeto lo sube a un repositorio global en la nube, del que otros robots podrán bene­ ficiarse. Adicionalmente se aplican programas de software avan­ zados para analizar en tiempo real el gran flujo de información visual, táctil y de fuerza, y para relacionar estos diferentes senti­ dos para reconocer objetos y modelar sus transformaciones. Además, los robots necesitan capacidades cognitivas avanzadas para predecir dónde, cómo y por qué manipular los objetos. La integración entre robótica e inteligencia artificial encuentra aquí un campo que, explorado de forma sinérgica, puede conseguir grandes avances para ambas áreas.

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CAPÍTULO 5

Más allá del cuerpo

En los últimos años estamos comprobando cómo los robots se van introduciendo paulatinamente en nuestra sociedad y en las actividades de nuestra vida cotidiana. Esto lo ha hecho posible la evolución de la robótica gracias a los avances en investigación multidisciplinar, aunando esfuerzos en áreas tan dispares como la ingeniería del software, la ingeniería de materiales, la psicología o la biología. La integración de los avances en estas disciplinas y su aplicación en el campo de la robótica ha hecho posible desa­ rrollar robots capaces de interactuar con seres humanos en un mundo hecho por y para los humanos. Hemos dotado a los ro­ bots de capacidades que van más allá de la máquina física, como son la versatilidad, la robustez, la seguridad (entendiendo como tal la salvaguarda del ser humano) y la inteligencia. Hasta ahora hemos conocido al robot como un ente aislado, entendido su funcionamiento básico. A lo largo de este capítulo vamos a conocer capacidades que van un poco más allá, y le permiten al robot integrarse en una sociedad humana, interac­ tuar con humanos y cooperar con ellos para complementar sus capacidades o mejorar su calidad de vida. Mediante la combina­ ción de lo mejor de las múltiples tecnologías existentes y emer­ gentes se desarrollará un nuevo concepto de robot. Lo mejor está aún por llegar.

Comunicación El ser humano es social por naturaleza y la capacidad de comunicar­ se con su entorno ha sido una de las claves para su desarrollo 92

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personal. La comunicación humana no es únicamente verbal; de he­ cho, la comunicación no verbal tiene una importancia tremenda en el lenguaje. El ser humano se comunica mediante palabras, a través de la voz, mediante sonidos y a través de gestos. La comunicación facilita las relaciones entre las personas. Pero el ser humano no se comunica únicamente con sus iguales, también se comunica con los animales, utilizando prin­ cipalmente el lenguaje no verbal: los gestos, las inflexiones de voz, el tacto. Cuando aparecen los primeros robots, surge inmediatamen­ te la necesidad de comunicarse con ellos, principalmente para darles las órdenes necesarias para que ejecuten su tarea. El primer lenguaje de comunicación entre el ser humano y el robot, denomi­ nado WAVE, fue desarrollado en el Stanford Research Institute en 1973. Este lenguaje evolucionaría en pocos años para dar lugar al VAL, el lenguaje de los robots industriales. VAL es un lenguaje de programación, específico de los robots industriales, con una serie de comandos que solo entienden el robot y su programador. Puesto que el robot industrial, por seguridad, nunca interacciona con otros seres humanos, esta comunicación es suficiente. Sin embargo, con la llegada de la robótica de servicio, el ro­ bot y el ser humano comparten un entorno, una tarea, y surge la necesidad del entendimiento mutuo. La comunicación entre un robot de servicio y un ser humano no puede limitarse a un lengua­ je de programación, ya que el robot de servicio está destinado al uso por personas que no tienen por qué tener conocimientos de programación. Hacen falta lenguajes de comunicación naturales, intuitivos, semejantes a la forma de comunicación que el ser hu­ mano utiliza dentro de su entorno. El problema es que el lenguaje que es natural para la persona no lo es para el robot. Hablamos diferentes idiomas y necesitamos un intérprete. Este intérprete es la interfaz humano-robot. La interfaz humano-robot conoce ambos lenguajes, de ma­ nera que se comunica con el humano en un lenguaje natural para este: por medio de la voz, de gestos, a través del tacto, o de forma más simple mediante movimientos de mando utilizando un joystick, un volante o un ratón. La interfaz traduce el mensaje 93

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del humano al lenguaje del robot, el binario, un montón de unos y ceros. Las interfaces que reconocen el lenguaje natural, como los sistemas de reconocimiento de voz, están plenamente instaladas en nuestra vida diaria: damos órdenes a través de la voz a teléfo­ nos, televisores, automóviles. Exactamente el mismo sistema se utiliza para dar las órdenes a un robot. Esta técnica es importan­ te en los robots personales que tienen como fin la terapia psico­ social a través de la compañía del robot. Estos robots terapéuti­ cos no solo responden a órdenes, sino que son capaces de mantener una conversación fluida hablando de cualquier tema: por ejemplo, del tiempo. Los robots que están diseñados para el entretenimiento, la educación, el guiado urbano, el bienestar y la psicoterapia tienen como principal tarea la comunicación con el ser humano. Por ejemplo, el perro robot de Sony, Aibo, es una mascota robótica diseñada para entretener a su dueño, y lo hace utilizando la co­ municación no verbal. El robot Aisoy1 es capaz de mantener una conversación en cuatro idiomas: español, catalán, inglés y fran­ cés. Los robots guía para museos también utilizan el lenguaje verbal basado en reconocimiento de voz. Los robots terapéuticos utilizan principalmente el lenguaje no verbal, la comunicación táctil, gestual y el reconocimiento de emociones, para comunicarse con las personas. La roboterapia es­ tá inspirada en la terapia con animales, donde se han demostrado los efectos terapéuticos de acariciar, hablar o acompañarse por una mascota. Efectos como bajada de la tensión cardíaca, reducción del estrés, o tratamiento de la depresión. Investigaciones recientes han revelado que la roboterapia produce los mismos efectos sobre las personas que el tratamiento con animales y en particular se consi­ dera un nuevo método para responder a las necesidades cognitivas de las personas mayores (incluidos los pacientes con demencia). La roboterapia se dirige a pacientes ingresados en hospitales en los que no se permite la entrada de animales. Un ejemplo es Paro, una mascota con aspecto de foca de peluche, que se emplea en varios países para su uso especialmente en hospitales pediátricos y resi­ dencias de ancianos como roboterapia. 94

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La comunicación no verbal juega un papel importante en la robótica médica y de rehabilitación, donde se necesitan interfa­ ces intuitivas humano-robot. Nada más intuitivo que emplear nuestro propio cuerpo en intentar realizar el movimiento que el robot va a hacer por nosotros. Las interfaces basadas en el elec­ tromiograma detectan la voluntad de movimiento muscular de un amputado, de manera que la prótesis que sustituye al miem­ bro perdido se mueve según la intención del usuario de mover ese miembro. Este tipo de interfaz se utiliza también en algunos exoesqueletos, como el Hal de la japonesa Cyberdyne, combi­ nándolo con sensores de presión y de fuerza, que proporcionan información táctil. Para los pacientes con lesión medular, en los que no es posible detectar la señal electromiográfica al tener el conducto, la médula espinal, interrumpido, se recurre a otras in­ terfaces más complejas: el electrooculograma que detecta el mo­ vimiento ocular y las interfaces cerebrales (brain-computer interface, BCI), que detectan la voluntad del usuario midiendo su actividad cerebral. Sin embargo, obtener información de la acti­ vidad cerebral tiene importantes dificultades. Por citar una, las interferencias por la actividad eléctrica presente en el encefalo­ grama pero que no tiene su origen en el cerebro. El movimiento de los ojos, de la lengua, de los músculos del cuerpo, crea una actividad que aparece en el encefalograma. Para poder utilizar esta información hay que discriminar y separar qué actividad corresponde a qué señal. De lo contrario los procesos cerebrales a decodificar pueden verse afectados o incluso eliminados por la actividad de estos elementos; o darse el caso en el que las herra­ mientas de procesamiento aprendan a identificar la actividad de interferencia como el objetivo a decodificar. Aunque existen ver­ siones no invasivas, la eficacia de la interfaz aumenta significati­ vamente cuando se implanta dentro del cráneo. Se trata de un área en expansión con un gran potencial para construir un canal de comunicación más que natural, inmerso en el humano. Con ella se tiene acceso a la información cognitiva y emocional del usuario, por lo que, las posibilidades son muchas y prometedo­ ras, una vez seamos capaces de entender, discriminar y procesar esa información. 95

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El robot y la inteligencia En el capítulo anterior hemos revisado las técnicas que se em­ plean para dotar al robot de capacidad de ejecutar tareas de for­ ma autónoma, estando esta autonomía restringida a la genera­ ción de comandos de movimiento utilizando técnicas de teoría de control automático. Esta capacidad de toma de decisión del robot puede ir más allá de estas técnicas, pudiendo incorporarse capacidades de planificación, aprendizaje o razonamiento que imitan a las capacidades de la inteligencia humana. Esto se con­ sigue gracias a la integración de técnicas de inteligencia artificial (IA) en la robótica. Existe algo de confusión con los conceptos de IA y robóti­ ca, llegando en algunas ocasiones a considerarlos equivalentes. Nada más lejos de la realidad. Robótica e IA son algo así como cuerpo y mente, por utilizar un símil fácilmente entendible. El robot es lo físico, lo corpóreo, el hardware, mientras que la IA es el pensamiento, algo incorpóreo, el software. La inteligencia artifi­ cial abarca muchas cosas diferentes. Sistemas de reconocimiento de voz, interpretación de imágenes, búsqueda heurística, apren­ dizaje con o sin supervisión y un montón de técnicas y algoritmos para interpretar grandes cantidades de datos. Los robots, en cam­ bio, se mueven en el mundo físico. Ambas disciplinas científicas, robótica e IA, han evolucionado de forma independiente y en paralelo, hasta que los investigadores han ido convergiendo hacia la convicción de que el gran avance de ambas disciplinas solo puede producirse a partir de su integración. El avance de la ro­ bótica hacia su incorporación en la sociedad humana requiere dotar al robot de características que van más allá de lo que la robótica, de forma purista, puede llegar a conseguir: garantizar la seguridad de las personas con las que contacta, o de las que forma parte; tener flexibilidad y adaptabilidad ante entornos cambiantes y ante las propias personas; versatilidad para realizar multitud de tareas, incluso aquellas para las que no se ha progra­ mado; y capacidad de coordinarse con personas y otros robots. Estas capacidades se pueden conseguir en la integración de la robótica con otras disciplinas, como la IA. Lo mismo sucede con 96

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el avance de la IA. El lector puede encontrar una magnífica des­ cripción de las técnicas de IA y su evolución en el libro de López de Mántaras y Meseguer (2017), en el que los autores aclaran que la integración de diversas técnicas e IA como son el apren­ dizaje automático, la planificación, junto con las técnicas de vi­ sión artificial, y la robótica, es imprescindible si se quiere alcan­ zar el objetivo de las inteligencias artificiales de tipo general, dotadas de sentido común. Esta meta, aún no lograda, necesita la interacción física con el entorno, lo que únicamente se puede conseguir a través de una interfaz física, la que provee un robot. Por lo tanto, ambas metas, la de lograr una IA fuerte y la meta de desarrollar robots de propósito general, capaces de realizar ta­ reas versátiles en entornos domésticos como el soñado robot ma­ yordomo, solo son posibles con la convergencia de las técnicas de IA, manipulación diestra, percepción artificial y actuación inteligente en lo que se denomina un robot inteligente. La IA desde sus comienzos ha tratado de replicar la mente humana. El cerebro es el órgano más complejo del cuerpo humano. A pesar de la enorme importancia que tiene, es poco lo que sabe­ mos sobre su funcionamiento. Sin duda esta es una de las principa­ les causas de que aún no sepamos replicarlo. El cerebro contiene varios billones de células, de las que unos 100.000 millones son neuronas y posee casi 100 trillones de interconexiones en serie y en paralelo que permiten el funcionamiento cerebral. Gracias a los cir­ cuitos formados por las células nerviosas o neuronas, es capaz de procesar información sensorial procedente del mundo exterior y del propio cuerpo. El cerebro controla el movimiento, la memoria, el lenguaje, la escritura y la respuesta emocional. El funcionamiento del cerebro se basa en la neurona como unidad anatómica y funcional independiente, integrada por un cuerpo celular del que salen numerosas ramificaciones llamadas dendritas, capaces de recibir información procedente de otras cé­ lulas nerviosas, y de una prolongación principal, el axón, que conduce la información hacia las otras neuronas en forma de corriente eléctrica. Pero las neuronas no se conectan entre sí por una red continua formada por sus prolongaciones, sino que lo hacen por contactos separados por unos estrechos espacios 97

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denominados sinapsis. La transmisión de las señales a través de las sinapsis se realiza mediante unas sustancias químicas conoci­ das como neurotransmisores, de los cuales hoy se conocen más de veinte clases diferentes. El procesamiento de la información sen­ sorial recogida por los exteroreceptores y los propioceptores, las respuestas motrices y emocionales, el aprendizaje, la conciencia, la imaginación, la intuición y la memoria son funciones que se realizan por circuitos formados por neuronas interrelacionadas a través de los contactos sinápticos. Esta capacidad del cerebro humano ha inspirado a muchos científicos para intentar modelar en el ordenador el funciona­ miento del cerebro humano. Los profesionales de diferentes campos como la ingeniería, filosofía, fisiología y psicología han unido sus esfuerzos debido al potencial que ofrece esta tecnolo­ gía y están encontrando diferentes aplicaciones en sus respecti­ vas profesiones. El resultado han sido las redes neuronales artifi­ ciales (RNA). Las RNA no se parecen físicamente al cerebro, de hecho son algoritmos matemáticos programados que se ejecutan en va­ rios procesadores en paralelo, pero presentan una serie de carac­ terísticas similares a lo que se conoce del funcionamiento del cere­ bro. Las RNA aprenden de la experiencia, generalizan de ejemplos previos a ejemplos nuevos y abstraen las características principa­ les de una serie de datos. Las RNA dan buenos resultados en ciertos tipos de aplica­ ciones y mejoran a los métodos convencionales basados en el modelado matemático en aquellos casos en los que la obtención de un modelo no es factible. Pero, a diferencia de los algoritmos que son instrucciones previamente programadas, las RNA de­ ben ser previamente entrenadas. Esto significa que a la red de neuronas se le muestra en su entrada unos ejemplos y ella misma se ajusta en función de alguna regla de aprendizaje. De lo buenos que sean estos ejemplos depende el futuro funcionamiento de la red, ya que luego generalizará a partir de lo que ha aprendido. Si los ejemplos con los que ha sido entrenada no eran lo suficiente­ mente representativos de todas las posibles situaciones a las que se enfrentará la red neuronal, el resultado no será satisfactorio. 98

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Por este motivo, las RNA se utilizan en las aplicaciones en las que este entrenamiento es posible. Las RNA se han aplicado con éxito en la resolución de problemas de clasificación y reco­ nocimiento de patrones de voz y de imágenes. También se han utilizado para encontrar patrones de fraude económico, hacer predicciones en el mercado financiero o hacer predicciones me­ teorológicas. Las redes neuronales artificiales se han aplicado para crear controladores para robots. De forma similar, otras técnicas de la IA se vienen aplicando para dotar de flexibilidad y adaptabilidad al medio a los robots, como los algoritmos genéticos o la lógica difusa (López de Mántaras y Meseguer, 2017). En general la inteligencia artificial aplicada a la robótica ha permitido resolver muchos problemas computacionales de toma de decisión, todos ellos basados en teoría de probabilidades. Dentro de las diferentes subáreas de la robótica, es sin duda en la robótica móvil donde la IA ha logrado explotar muchas de sus capacidades. Los algoritmos de planificación basados en búsqueda heurística que consiguen encontrar la ruta más corta, o la más rápida para que un robot alcance su meta en un entorno con obstáculos, o el uso de técnicas de percepción artificial para generar mapas del entorno, que permitan la toma de decisión. Sin embargo, aun siendo los re­ sultados muy buenos en este tipo de aplicaciones, no se ha conse­ guido emular el comportamiento del cerebro. Esto es lo que se co­ noce como la IA fuerte, la que consigue dotar al robot de sentido común. Quizá porque pretendemos programar la inteligencia cuan­ do todavía no sabemos con certeza qué es y de dónde proviene.

¿Qué es la inteligencia? El coeficiente de inteligencia o cociente intelectual (CI) se utiliza desde principios del siglo XX para clasificar la inteligencia de las personas a partir de un test escrito. En dicho test se califican los conocimientos matemáticos, lingüísticos y de razonamiento. Howard Gardner, psicólogo de la Facultad de Pedagogía de Harward, Premio Príncipe de Asturias de Ciencias Sociales en 2011, escribió en 1983 su libro Frames of Mind: The Theory of 99

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Multiple Intelligences, donde refuta el concepto de CI y defiende la existencia de nuevos tipos de inteligencia. Gardner divide en siete las variedades de inteligencia: 1. Inteligencia verbal, es lo que conocemos como inteligencia académica. 2. Inteligencia lógico-matemática, asociada con la inteligencia académica. 3. Inteligencia espacial, asociada con el arte. 4. Inteligencia kinestésica, asociada al baile y al deporte. 5. Inteligencia musical. 6. Inteligencia personal, que caracteriza a un líder. 7. Inteligencia intrapsíquica, lo que conocemos como intuición. Mientras que las dos primeras inteligencias corresponden a lo que el CI puede medir, las cinco restantes quedan fuera de este índice. Curiosamente, el Instituto Carnegie de Tecnología, anali­ zando el caso de diez mil personas, informaba de que el 15% del éxito profesional se debe a la inteligencia académica, y el 85% a la inteligencia emocional: conducta, integridad, observación, imagi­ nación creadora, decisión, adaptabilidad, dirección, habilidad or­ ganizativa, expresión y conocimiento. Según esta teoría, la inteligencia emocional se encuentra loca­ lizada en el hemisferio derecho del cerebro, mientras que la acadé­ mica se encuentra en el lado izquierdo. El hemisferio izquierdo es analista, calculador, detallista, lógico racional, secuencial, y objetivo. Actúa en forma secuencial; por tanto, procesa la información de una en una. Su velocidad de procesamiento es de 40 bits por segun­ do. En cambio, el hemisferio derecho procesa la información de forma global. No analiza, sintetiza, capta el todo y llega a las partes. Ahí se encuentra el sentido musical, el artístico, la intuición, la ima­ ginación. Es sentimental, soñador, holístico, subjetivo. Lo hace de forma simultánea, es decir, procesa la información a un mismo tiempo, a una velocidad entre 1 y 10 millones de bits por segundo, en definitiva, es millones de veces más rápido que el izquierdo. La capacidad de cómputo de los procesadores es increíble­ mente más rápida que la de un ser humano. Un robot puede 100

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analizar todas las posibles combinaciones de acciones a realizar para una serie de condiciones iniciales en milésimas de segundo, y puede escoger una, tomar una decisión, con base en un criterio matemático: aquella que optimiza una variable, por ejemplo la tra­ yectoria más rápida, o el movimiento que menos energía consu­ me. Estamos replicando el hemisferio izquierdo, el racional, el académico. Sin embargo, el 85% de la inteligencia humana provie­ ne del otro hemisferio, el emocional. Para que un robot pueda tomar decisiones humanas y aprender como lo hace un niño, tendrá que llegar el día en el que entendamos cómo funciona nuestro hemisferio derecho, y más aún, aprendamos cómo modelarlo matemáticamente y progra­ marlo en un ordenador.

Los materiales inteligentes Hemos comentado ya la necesidad de dotar al robot de cierta adaptabilidad al medio para poder incorporarlo al mundo que nos rodea y convivir con nosotros en él. Para ello, lo ideal sería que el robot estuviera hecho de materiales parecidos a los bioló­ gicos en lo que a sus propiedades físicas se refiere. Materiales blandos, conformables y con la capacidad de modificar sus pro­ piedades físicas para adaptarse al entorno con el que contactan. Sería ideal que estos materiales incluyeran una funcionalidad, con lo que la construcción de robots inteligentes sería más sen­ cilla y robusta. Por ejemplo, los robots podrían estar hechos de huesos que midan la carga, músculos que se muevan, piel que proporcione al robot información sobre el tipo y la ubicación de las sensaciones táctiles, desde la presión hasta la textura y el po­ sible daño, ojos que extraigan información de alto nivel y materia gris que proporcione información de forma escalable. Estos ma­ teriales no se asemejarían a ningún material de ingeniería exis­ tente, sino a los componentes heterogéneos de los que están he­ chos sus homólogos naturales. Pues bien, existe un campo de investigación que trata de alcanzar este ambicioso objetivo, co­ menzando con el estudio de los materiales inteligentes, en los que 101

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ya se han hecho progresos, aunque todavía queda mucho cami­ no por recorrer en esta materia, y conduciéndonos hacia los robots blandos, de los que hablaremos en la próxima sección. Un material inteligente es un material que muestra un cam­ bio observable en una de sus propiedades físicas (rigidez, viscosi­ dad, forma, color, etc.) cuando es estimulado desde otra, pero que a su vez provoca ese determinado estímulo si se modifican sus propiedades físicas. De tal manera que puede funcionar simultá­ neamente como sensor y actuador si el efecto es controlable. La investigación en materiales inteligentes cubre todas las propiedades físicas: la mecánica, la eléctrica, la química, la óptica, la térmica. Por ejemplo, un material termocromático muestra un cambio de color cuando se calienta, mientras que un polímero electroactivo genera un cambio mecánico (es decir, se expande o se contrae) cuando recibe una estimulación eléctrica (Bar-Cohen, 2001). Los materiales inteligentes pueden añadir nuevas capaci­ dades a la robótica si los integramos como parte de su estructura mecánica, dotando al robot de un cuerpo blando con capacidad de cambiar de rigidez y por tanto de adaptarse al medio; como parte de su sistema sensorial, o de actuación. Dotando al robot de propiedades que imitan las propiedades físicas de los organismos naturales, como su elasticidad o su adaptabilidad, los haremos adecuados para interaccionar con elementos tan delicados como el propio cuerpo humano.

Materiales inteligentes como nuevos actuadores Podemos clasificar los materiales inteligentes en función del tipo de respuesta que presentan ante un estímulo externo en materiales electro y magnetoactivos y materiales con memoria de forma. Los materiales con memoria de forma tienen la capacidad de deformar­ se ante un estímulo externo. Esta deformación es cien veces mayor que la que presentan los electro y magnetoactivos. Entre la familia de materiales con memoria de forma se encuentran los polímeros electroactivos, también conocidos como músculos artificiales. Los polímeros electroactivos se fundamentan en una serie de tecnologías emergentes y diferentes entre sí, con principios de 102

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funcionamiento distintos, como la reorientación de carga eléctri­ ca y la electrostricción, consiguiendo funcionalidades variadas. El factor común es un material que responde a los estímulos eléctricos con cambios en su forma o tamaño, de forma muy similar a los músculos naturales. Como actuadores son capaces de sufrir grandes deformaciones mientras soportan esfuerzos moderados. Estos materiales aún no han conseguido la capaci­ dad de carga necesaria para generar el movimiento en la mayoría de los robots de servicio. Existe otro tipo de actuadores que varían las propiedades dinámicas del robot. Son los actuadores basados en fluidos electro y magneto-reológicos. Son fluidos inteligentes que modifican sus propiedades reológicas, como su viscosidad, ante la acción de un campo eléctrico o magnético. Se trata de una suspensión de partí­ culas ferromagnéticas en una base oleosa. En presencia de un campo eléctrico o magnético las partículas se reagrupan en cade­ nas paralelas al campo. La nueva estructura modifica las propie­ dades del fluido, concretamente su viscosidad y esfuerzo de corte (que viene a ser la fuerza que puede soportar), convirtiéndose en un fluido no newtoniano. Esto significa que el fluido no se com­ porta como un fluido, sino como un sólido, pero únicamente mientras la fuerza a la que se le someta sea menor que un determi­ nado valor. A partir de ese valor de fuerza máxima que puede so­ portar, el material vuelve a fluir con un comportamiento viscoso. El coeficiente de viscosidad depende de la base oleosa con una li­ gera dependencia del campo. El valor de la fuerza que puede so­ portar sin fluir depende de la intensidad del campo aplicado y son, por tanto, variables controlables. Utilizando estas propiedades se han desarrollado actuadores resistivos en los que el fluido reoló­ gico proporciona un amortiguamiento controlado. Para construir el actuador, el fluido se hace circular por ca­ nales esculpidos en el pistón de un cilindro. Entre el pistón y la carcasa se provoca un campo eléctrico o magnético que hace solidificar el fluido dentro de los surcos, lo que bloquea o frena el movimiento del pistón. Variando el valor del campo aplicado se puede controlar la fuerza de rozamiento que ejerce el fluido. Son, por tanto, actuadores resistivos, es decir, amortiguadores 103

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del movimiento. Estos amortiguadores magneto-reológicos se usan en prótesis de rodilla activas para conseguir movimientos más naturales, así como ortesis para dar estabilidad a la rodilla duran­ te la marcha, como C-Brace, que comercializa Ottobock.También se emplean en la suspensión de tractores y vehículos autónomos, para conseguir controlar la suspensión de forma activa. De toda la gama de actuadores basados en materiales inteli­ gentes, los actuadores piezoeléctricos son los más maduros y mejor establecidos en el mercado. Los materiales piezoeléctricos poseen la capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctri­ ca y viceversa. Es decir, experimentan deformaciones mecánicas en su estructura cristalina ante la acción de un campo eléctrico, pero también se polarizan al ejercer presión sobre ellos. Se aplican ampliamente como sensores y actuadores. Existe una amplia ga­ ma de materiales piezoeléctricos que presentan muy diferentes propiedades y que no voy a comentar por cuestiones de espacio. Un actuador piezoeléctrico genera movimiento aprovechando la piezoelectricidad. Se comercializan desde hace más de veinte años en todas las formas y tamaños, y han revolucionado el posiciona­ miento de precisión con una resolución por debajo del nanómetro. Los piezoeléctricos se sitúan en el mapa de características de los actuadores en lugares privilegiados tanto en potencia espe­ cífica como en frecuencias y fuerzas. El único inconveniente para muchas aplicaciones de robótica de servicio es el recorrido mi­ croscópico que presentan, lo que los hace inviables como actuado­ res por sí mismos, haciendo necesario algún tipo de transmisión que amplifique su recorrido. En cambio, en otras aplicaciones de robótica, como prótesis de manos, para mover las falanges de los dedos robóticos o en microrrobótica, los motores piezoeléctricos son una solución muy adecuada. Tanto los piezos como otros materiales inteligentes (mag­ netostrictivos, aleaciones con memoria de forma, etc.) reúnen características de potencia específica y velocidad muy deseables en las aplicaciones de robótica de servicio, pero poseen una des­ ventaja insalvable: su imperceptible recorrido. Sin embargo, es viable utilizarlos como elemento de potencia para mover un flui­ do que al mismo tiempo desplace un pistón. De esta manera, a 104

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través del pistón obtenemos el recorrido que necesitamos. Es lo que se denomina actuadores híbridos, que combinan la tecnología convencional con los materiales inteligentes para conseguir me­ jorar las prestaciones de ambas tecnologías. Es el caso de los ac­ tuadores piezohidráulicos. La idea de combinar actuadores elás­ ticos, con amortiguadores magnetoreológicos, o bien actuadores piezohidráulicos, o piezomúsculos artificiales, puede conducir­ nos al funcionamiento versátil del músculo natural que tanto ambicionamos en robótica.

Materiales inteligentes como nuevos sensores Aunque la aplicación más habitual de estos materiales en la ro­ bótica es como sistemas de actuación o movimiento, su aplicación como sensores tiene también potencial. En particular en la interac­ ción con el ser humano a través del tacto (por ejemplo, los disposi­ tivos hápticos, los sistemas de realidad virtual). Tradicio­­nalmente el principio de funcionamiento de estos dispositivos se basa en los clásicos servomotores y sensores de presión. La aplicación de las aleaciones o los polímeros con memoria de forma puede ser una alternativa, ya que como se puede prever aligerarían el peso y no restringirían los movimientos ni las sensaciones generadas por es­ tos para conseguir así una mejor interacción hombre-máquina o una mejor inmersión en el sistema de teleoperación o telepresen­ cia (Masiá, 2012). Existe un grupo de materiales inteligentes, denominado cromoactivos, que se caracteriza por su capacidad para cambiar de color ante un estímulo externo. Dentro de este grupo, en los materiales termocrómicos el cambio de color se produce tras una variación de temperatura. Este tipo de materiales está preparado para cambiar de color cuando sobrepasa un límite de temperatura establecido. Existe una gran variedad de colores y rangos de tem­ peratura, por lo que son una de las opciones más interesantes den­ tro del ámbito industrial para garantizar la seguridad del operario humano a través de la detección del contacto humano. Un ejem­ plo claro son los materiales que cambian de color ante la luz del sol o al contacto con la temperatura de la mano. Estos materiales 105

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también pueden utilizarse como sensores de aviso. En concreto, los termocrómicos pueden utilizarse como alerta de temperatura de riesgo. No necesitan corriente eléctrica y tienen un funciona­ miento reversible, por lo que sus posibilidades son muy amplias.

Los robots blandos Las investigaciones sobre materiales inteligentes han abierto el ca­ mino hacia estructuras más complejas y heterogéneas, integradoras de múltiples tecnologías, conformando un robot en el que las desea­ das características de seguridad y adaptabilidad intrínsecas están incorporadas a nivel de material. Es lo que se denomina robótica blanda, que se caracteriza por la integración de áreas de sistemas distribuidos, ciencia de los materiales, comunicación y energía. Estos robots se caracterizan por contener materiales defor­ mables capaces de cambiar de forma y comportamiento y per­ miten un contacto físico conformable, por ejemplo para la mani­ pulación. Sin embargo, la introducción de materiales blandos y estirables en los sistemas robóticos conlleva un sinfín de retos para la integración de sensores, el control preciso del movimien­ to o la fuerza. Estando la investigación en robótica blanda aún en sus ini­ cios, podemos describir ya una serie de sistemas de este tipo. La piel desempeña un papel esencial para los sistemas bio­ lógicos como barrera entre el entorno externo de un organismo y sus componentes internos. Entre sus capas se encuentra una densa red de receptores mecánicos, químicos, vibratorios, de temperatura y de dolor, que trabajan de forma coordinada para permitir la sensación en la piel. Estas capacidades serían increí­ blemente útiles para los robots a la hora de interactuar con un entorno real y colaborar con humanos. Hughes y Correll (2015) diseñaron e implementaron una piel biomimética capaz de diferenciar hasta quince texturas dife­ rentes midiendo las vibraciones inducidas por el roce de la piel. El algoritmo es totalmente distribuido, basado en una red de micro­ controladores en una piel de goma, cada uno de los cuales utiliza 106

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un pequeño micrófono para detectar las vibraciones locales. La piel es capaz de detectar el contacto debido a objetos que se frotan contra ella, localizar el punto de contacto e identificar la textura del material que hace contacto. Las aplicaciones de esta tecnología en el campo de la mani­ pulación diestra pueden conseguir salvar barreras importantes en la aplicación de robots para la manipulación de objetos de la vida cotidiana, gracias al reconocimiento de las diferentes textu­ ras. La conformidad intrínseca de los materiales de los robots blandos puede proteger tanto al robot como al entorno de daños cuando interactúan con entornos no estructurados. Esta propie­ dad hace que los robots blandos sean atractivos en contextos de interacción entre robot y humano, donde la seguridad alrededor de objetos frágiles y de las propias personas es importante. Las pieles artificiales tienen un gran potencial para permitir que los robots blandos interactúen de forma inteligente con su entorno. Para que los robots blandos sigan avanzando es necesario contar con una electrónica de alto rendimiento y con sensores que puedan estirarse continuamente con su cuerpo. La investi­ gación reciente sobre la piel artificial se ha centrado principal­ mente en la fabricación de sensores individuales con mejores prestaciones, como la sensibilidad, la capacidad de estiramiento y la fiabilidad a lo largo de muchos ciclos de uso. Para conseguir una piel totalmente biomimética para la robótica blanda, la piel artificial debe contener conjuntos de sensores que sean estira­ bles, cubran grandes áreas con una alta resolución espacio-tem­ poral y tengan múltiples funciones que imiten diversos recepto­ res de la piel humana. Estas características deberían permitir a los robots utilizar métodos basados en datos para extraer infor­ mación rica sobre su entorno. En la piel humana, la estimulación de los receptores se con­ vierte en una serie de pulsos de tensión que se envían a los ner­ vios. Esto inspiró a los investigadores a desarrollar receptores artificiales y nervios aferentes para convertir la información tác­ til en pulsos digitales en el lugar de la sensación. La señal podría ser percibida por los nervios y el cerebro del usuario, vinculando así directamente el cerebro humano con las prótesis robóticas 107

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blandas. Por ejemplo, Kim y su equipo (2018) han desarrollado recientemente un nervio aferente artificial flexible que puede re­ coger eficazmente información sobre la presión procedente de conjuntos de sensores de presión y convertirla en potenciales de acción para activar los músculos biológicos. Concretamente co­ nectaron un nervio aferente artificial a los nervios motores de una cucaracha. Estas investigaciones tienen un grandísimo po­ tencial para hacer evolucionar las neuroprótesis y exoesqueletos de ayuda a la movilidad hacia la realimentación sensorial desde el dispositivo a la persona, pudiendo percibir el tacto, la presión a través del elemento robótico y provocar el movimiento del mis­ mo a través de su intención. Más allá de los estudios sobre piel artificial, los avances en la investigación muestran ejemplos de sistemas blandos cada vez más complejos y activos, que pueden caminar, crecer, nadar y funcionar de forma autónoma con combustible químico (Shih et al., 2020). En 2007, Cecilia Laschi, una profesora de la Escuela de Estudios Avanzados Sant’Anna de Pisa e investigadora de robótica, le pidió a su padre que pescara un pulpo vivo para su laboratorio marino en Livorno (Italia). ¿Y para qué quería una investigadora de robótica que trabajaba con metal y microprocesadores un cefa­ lópodo blando? Sin embargo, el Sr. Laschi pescó un pulpo en la costa toscana y se lo dio a su hija. Ella y sus estudiantes colocaron a la criatura en un tanque de agua salada donde pudieron estudiar cómo se movía. A continuación, el equipo desarrolló un tentáculo artificial con resortes y cables internos que reflejaban los músculos de un pulpo, hasta que el dispositivo pudo ondularse, alargarse, encogerse, endurecerse y enroscarse de una manera muy realista. El movimiento de estos sistemas blandos se realiza median­ te conjuntos de elementos interconectados capaces de modificar sus propiedades físicas (tamaño, rigidez, etc.), pudiendo lograrse un comportamiento del conjunto que provoque movimiento es­ pacial. Por ejemplo, la viga de cambio de forma (McEvoy y Correll, 2016) consta de seis elementos idénticos de rigidez varia­ ble, que pueden calcular la rigidez necesaria para alcanzar una for­ ­ma arbitraria tras la flexión, coordinándose de forma totalmente 108

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distribuida. El algoritmo propuesto escala linealmente con la longi­ tud de la viga. Las aplicaciones de esta tecnología en la adaptación física de los robots a su entorno son significativas. Muchos trabajos han comenzado a explorar la intersección entre la actuación y la detección. Varios de ellos incrustaron sen­ sores de elongación para la estimación del estado o la detección táctil en una estructura similar a un dedo, mientras que otros lo sensorizaron externamente. A medida que ambas áreas avanzan, se prevé una mayor integración de una actuación y una detec­ ción cada vez más sofisticadas. La construcción de estas máquinas implica el desarrollo de nuevas tecnologías para animar materiales flexibles con un mo­ vimiento determinado, así como métodos para controlar y pre­ decir sus acciones. Pero si esto tiene éxito, estos robots podrían utilizarse como trabajadores de rescate que puedan meterse en espacios reducidos o escurrirse entre escombros movedizos; co­ mo asistentes de salud en el hogar que puedan interactuar estre­ chamente con los seres humanos; y como máquinas industriales que puedan agarrar nuevos objetos sin programación previa. Esta robótica blanda puede introducir un salto cualitativo en la robótica de manipulación, al utilizar dedos blandos que se amolden al objeto que se quiere agarrar, acercándose más a las manos humanas. Los dedos blandos permiten un amplio abani­ co de deformaciones, pero para poder utilizarlos de forma controlada es necesario contar con una rica detección táctil y propioceptiva. El equipo del MIT CSAIL (Computer Science and Artificial Inteligence Lab) ha desarrollado una mano de­ nominada GelFlex compuesta por dos dedos blandos a base de silicona y que utiliza cámaras integradas con lentes de gran angular que captan las deformaciones de los dedos con gran de­ ­talle, y mediante algoritmos de deep learning (una técnica de IA fundamentada en las redes neuronales artificiales) estima el tamaño y la forma del objeto que está agarrando. Otro dise­ ño interesantísimo de este mismo grupo de investigadores es una garra denominada Bola Mágica, que, en lugar de dedos, tiene forma de campana hecha de una estructura de origami blanda que se cierra alrededor del objeto acomodándose a su 109

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forma. Puede agarrar objetos duros o blandos, desde botellas has­ ta pequeños objetos delicados, incluyendo latas, manzanas, un ce­ pillo de dientes, una botella de agua y una bolsa de galletas. En el Robotics Lab de la Universidad Carlos III de Ma­­drid, la investigadora Concha Monje está desarrollando un eslabón blando para actuar como brazos, cuello y columna vertebral de un robot humanoide. Por el momento, ya tienen el cuello.

Transhumanismo y ética Estamos siendo protagonistas de una incursión de la robótica en el mundo del ser humano. ¿Dónde marcamos los límites? La evolución actual de la tecnología hace que los límites entre los materiales inteligentes, la inteligencia artificial, la personifica­ ción, la biología y la robótica se están volviendo difusos. Cabe esperar que con una evolución tecnológica semejante, la incur­ sión de los robots en nuestro mundo genere un impacto, de alguna forma los robots van a marcar nuestra propia evolución, la del ser humano. Los robots van complementar algunas capacidades hu­ manas, aquellas que por causa de un accidente o una enfermedad hemos perdido: la capacidad de andar, la de recordar, la de ver… Pero ¿dónde está el límite con la ampliación de las capacidades humanas? ¿Podemos crear superhumanos? Otros robots nos ayu­ darán a controlar enfermedades, como los nanorrobots para con­ trolar y eliminar las células cancerosas. Robots de compañía que nos salvarán de la soledad en la edad avanzada. Su presencia en nuestras vidas supondrá una influencia de la robótica en el futuro del ser humano y esto genera preocupaciones de diversa índole, lo que constituye una reacción típica a las nuevas tecnologías. Muchas de estas preocupaciones resultan ser bastante pin­ torescas, como lo fueron cuando se consideraba que “los trenes serían demasiado rápidos para las almas”; otras son correctas pero moderadamente relevantes, como la afirmación de que “la tecnología digital destruiría las industrias que fabrican pelícu­­ las fotográficas, cintas de casete o discos de vinilo”; pero otras son ampliamente correctas y profundamente relevantes: “Los 110

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coches causarían accidentes mortales y cambiarían fundamen­ talmente el paisaje”. Algunas tecnologías, como la energía nuclear, los coches o los plásticos, han provocado un debate ético y político y un importan­ te esfuerzo político para controlar la trayectoria de estas tecnolo­ gías. Esto está sucediendo también en el caso de las nuevas tecno­ logías de IA y robótica, además del temor de que “puedan poner fin a la era del control humano en la Tierra”. No todas las corrientes son detractoras de la evolución de la tecnología. El transhumanismo es un movimiento sobre la creen­ cia de que los humanos deben utilizar la tecnología y la ciencia para rediseñarse más allá de los límites de nuestras limitaciones biológicas. El término transhumanismo fue acuñado por prime­ ra vez por el biólogo evolutivo Julian Huxley en un ensayo de 1957, pero las ideas que lo sustentan no empezaron a cobrar verdadera fuerza hasta la década de 1970. Aunque el número de transhumanistas actuales sigue siendo relativamente pequeño (y el movimiento está dividido en varias fac­ ciones), muchos investigadores y magnates de la tecnología de pri­ mera línea están invirtiendo importantes recursos en el potencial del “aumento” humano. Entre estos defensores se encuentran multimi­ llonarios como Peter Thiel, el director general de Tesla, Elon Musk, y el futurista Ray Kurzweil (famoso por sacar a la luz la idea de “la singularidad”).Y el transhumanismo se ha convertido incluso en una fuerza política, con el defensor del transhumanismo Zoltan Istvan, que fue candidato a la presidencia de Estados Unidos en 2016. El avance científico más importante del siglo XXI hasta aho­ ra es la edición genética, no la robótica ni la IA. Gracias a la tecno­ logía CRISPR Cas-9 y a las nuevas formas de modificar el ADN, se están descubriendo nuevos métodos para curar el cáncer o en­ fermedades de origen genético actualmente sin cura. Pero estos avances también alientan a los transhumanistas para imaginarse en el famoso bar lleno de criaturas alienígenas salvajes en el plane­ ta Tatooine de la Guerra de las Galaxias, de la misma forma que imaginan que añadamos extremidades a nuestros cuerpos, ojos a la parte posterior de nuestras cabezas y que nos hagamos literalmen­ te más inteligentes, con el avance de la IA (Zoltan Istvan, 2018). 111

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Mejorar nuestra calidad de vida, curar enfermedades, ayu­ darnos a envejecer de forma activa es sin duda el objetivo del avan­ ce de la ciencia y la tecnología. Incluso Google creó una filial de biotecnología para abordar el envejecimiento. Sin embargo, son muchos los que creen fundamentalmente que el cuerpo y la mente humanos no deben ser manipulados, lo que pondría en entredicho todos los avances de la medicina occidental. Si damos por bueno el progreso de la ciencia y la tecnología con un fin terapéutico, o para el bienestar, estamos entonces de acuerdo en el avance de la robó­ tica en esta dirección. Pero la tecnología puede utilizarse para otros fines: armas automáticas, supersoldados, superpersonas… ¿Es po­ sible el aumento de las capacidades más allá de lo humano? ¿Se ha­ ce necesario legislar el uso de la tecnología? El debate está servido. Para tratar de proponer un orden donde aún hay poco, sur­ ge dentro de la ética aplicada, el campo de la ética de la robótica y la IA. Es un campo muy joven con una dinámica importante (European Group on Ethics in Science and New Technologies, 2018). Algunos de los avances en esta materia, relacionados prin­­ cipalmente con la interacción de los robots con los humanos (no abordaremos, por estar fuera del contexto de este libro, los temas relacionados puramente con IA), se encuentran en los robots asistenciales, terapéuticos o para el cuidado de personas, donde ha suscitado una serie de preocupaciones por un futuro distópico de atención deshumanizada (Müller, 2021). El envejecimiento ac­ tivo asistido por robots plantea supuestos problemáticos, como que con la prolongación de la vida las personas necesitarán más cuidados y que no será posible atraer a más seres humanos a las profesiones asistenciales. Estos planteamientos ignoran la naturaleza de la automati­ zación, que no consiste simplemente en sustituir a los humanos, sino en permitirles trabajar de forma más eficiente. No está muy claro que haya realmente un problema aquí, ya que el debate se centra sobre todo en el miedo a que los robots deshumanicen los cuidados, pero los robots actuales y previsibles en los cuidados son robots de asistencia para la automatización clásica de tareas técni­ cas, complementando y asistiendo al cuidador. El robot es una he­ rramienta para el cuidador, que sigue siendo la parte humana del 112

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cuidado. Quizá sentirse atendido por una máquina, en cierta medi­ da, sea un progreso para los pacientes. La ética también analiza el posible fraude, ya que un robot que finge cuidar sería engañoso. El debate de la ética en el cuidado a través de los robots al­ canza también cuestiones tan humanas como el amor o el sexo. Existe cierto convencimiento sobre que los humanos probable­ mente estarán interesados en el sexo y la compañía amorosa de los robots. Dada la variación de las preferencias sexuales huma­ nas, incluidos los juguetes sexuales y las muñecas sexuales, esto parece muy probable. Algunos “optimistas” de la tecnología creen que los robots pueden dar ese tipo de afecto. La cuestión en el ámbito de la ética es si estos dispositivos deberían fabricar­ se y promocionarse, y si debería haber límites en este ámbito. También, de nuevo hay una cuestión de engaño, ya que un robot no puede (actualmente) querer lo que dice, o tener sentimientos por un humano. Aunque es bien sabido que los humanos son propensos a atribuir sentimientos y pensamientos a entidades que se comportan como si tuvieran sensibilidad, incluso a obje­ tos claramente inanimados que no muestran ningún comporta­ miento (yo discuto con frecuencia con el lavaplatos). ¿Quizá haya que plantearse también pedirles su consentimiento? Otra área de aplicación de la robótica que ha suscitado el análisis de la ética son los vehículos autónomos. Los vehículos autónomos prometen reducir los daños tan importantes que causa actualmente la conducción humana: aproximadamente un millón de personas muertas al año, muchas más heridas, el me­ dio ambiente contaminado, la tierra sellada con hormigón y as­ falto, las ciudades llenas de coches aparcados, etc. Sin embargo, parece haber dudas sobre cómo deben comportarse los vehícu­ los autónomos y cómo deben distribuirse la responsabilidad y el riesgo en el complicado sistema en el que operan los vehículos. Entre los esfuerzos políticos notables en este campo se encuentra el informe del Ministerio Federal de Transporte e Infraestructura Digital de Alemania (2017), que subraya que la seguridad es el objetivo principal. La norma 10 establece que “en el caso de los sistemas de conducción automatizada y conectada, la responsa­ bilidad que antes era exclusiva del individuo se desplaza del 113

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automovilista a los fabricantes y operadores de los sistemas tec­ nológicos y a los organismos responsables de la toma de decisio­ nes en materia de infraestructura, política y legislación”. También se analizan éticamente las tomas de decisiones que tratan de minimizar el número de víctimas en un accidente. El resto de problemas éticos más comunes en la conducción, como el exceso de velocidad, los adelantamientos arriesgados, no mantener la distancia de seguridad, etc., son problemas clási­ cos que están cubiertos por las normas legales de conducción. El debate sobre los vehículos autónomos nos conduce al de­ bate sobre las armas autónomas. Las armas autónomas son, en efecto, armas... y las armas matan, pero seguimos fabricándolas. Es difícil mantener un debate ético partiendo de esta premisa. ¿Deba­­timos sobre qué es mejor? En lugar de lanzar simples misi­ les guiados o vehículos pilotados a distancia, podríamos lanzar vehículos terrestres, marítimos y aéreos completamente autóno­ mos capaces de realizar complejas misiones de reconocimiento y ataque de largo alcance (DARPA, 1983: 1). Los principales argumentos en contra de los sistemas de ar­ mas autónomas (letales) (AWS o LAWS), son que apoyan las eje­ cuciones extrajudiciales, quitan la responsabilidad a los seres hu­ manos y hacen que las guerras o las matanzas sean más probables. Otra cuestión es si el uso de armas autónomas en la guerra empeoraría las guerras o las haría menos malas. Si los robots reducen los crímenes de guerra la respuesta bien puede ser posi­ tiva y se ha utilizado como argumento a favor de estas armas. Podría decirse que la principal amenaza no es el uso de estas armas en la guerra convencional, sino en conflictos asimétricos o por parte de agentes no estatales, incluidos los delincuentes. Se ha debatido sobre las dificultades de asignar la responsa­ bilidad de los asesinatos de un arma autónoma, y se ha sugerido que ni el humano ni la máquina pueden ser responsables (Müller, 2021). El análisis de riesgos indica que es crucial identificar quién está expuesto al riesgo, quién es un beneficiario potencial y quién toma las decisiones. El robot es una herramienta altamente cualificada. El uso que hagamos de ella es una decisión totalmente humana. 114

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CAPÍTULO 6

Robots fascinantes

A lo largo de estas últimas décadas la evolución de la robótica ha sido significativa, y aunque sin duda es un área en constante evolución y con muchos desafíos por delante, actualmente po­ demos presumir de algunos desarrollos que a algunos fascinan y a otros perturban. En este capítulo recojo una selección de robots que, en mi opinión, son los más destacados por sus ca­ pacidades y por haber pasado de prototipos de investigación a un estado comercial, instalándose en aplicaciones reales al ser­ vicio de las personas. Quiero hacer hincapié en que es una se­ lección subjetiva, basada en mi propio criterio, y seguramente si esta selección la hiciera otro investigador del área su selec­ ción sería otra, o no. En cualquier caso, el principal objetivo de este capítulo es que el lector disfrute de las maravillas de estos ejemplos concretos que la robótica nos trae y que están ya en nuestra sociedad.

Los robots dinámicos de Boston Dynamics Cuando uno entra en la página web de Boston Dynamics puede leerse en inglés el eslogan “Cambiamos tu idea de lo que los ro­ bots son capaces de hacer”, superpuesto a un vídeo en el que varias de sus creaciones hacen auténticas maravillas: saltos acro­ báticos, bailes... Creo sinceramente que estos robots son los úni­ cos que son capaces de asombrar al público general, que acos­ tumbrado a la ciencia ficción, suele tener el listón muy alto para que los robots reales consigan un simple aprobado. Boston Dynamics aprueba y con nota. 115

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Marc Raibert era profesor de ingeniería eléctrica en el Massachusetts Institute of Technology, donde creó el Leg Laboratory, en el sótano del edificio de Computer Science en el campus de Cambridge (Massachusetts). En este laboratorio, junto a su equipo, investigaba sobre robots bípedos o monópo­ dos, sentando las bases de los robots dinámicamente estables, es decir, que andaban, corrían, saltaban, incluso hacían piruetas en el salto. Yo formé parte de ese equipo temporalmente, durante una estancia predoctoral, cuando Marc ya había fundado Boston Dynamics. Por entonces, mientras subíamos juntos en el ascen­ sor a la sala de conferencias (años después volvería a coincidir con él en otro ascensor), supe que Marc decidió dejar el MIT y fundar Boston Dynamics el día en el que sus robots formaron parte del rodaje de la película Sol naciente y fue su pesadilla que ningún robot funcionara como estaba previsto. El efecto “de­ mo”, que decimos los investigadores en robótica, más que acos­ tumbrados a la falta de robustez de nuestros prototipos de inves­ tigación. Así que Marc Raibert decidió que quería construir robots con una funcionalidad semejante a la de los humanos o los animales, dotarlos de agilidad, destreza, e inteligencia, y sobre todo, de fiabilidad y robustez, para que no fallaran. Desde su fundación en 1992, Boston Dynamics se ha nutri­ do de los mejores investigadores e ingenieros de todo el mundo, gracias a la financiación millonaria de DARPA, la agencia de proyectos del Departamento de Defensa Americano. Lejos de trabajar en proyectos concretos, a pesar de recibir una financia­ ción dirigida a la defensa de su país, el equipo de Boston Dynamics se ha dedicado a divertirse dando rienda suelta a la creatividad de los mejores cerebros de la ingeniería internacio­ nal. No fue hasta 2013 cuando Google puso la vista en esta em­ presa, posteriormente se la compró SoftBank en 2017, y recien­ temente la ha adquirido Hyundai en 2020 por 1.100 millones de dólares. Hasta esa fecha, Boston Dynamics no había vendido nin­ gún robot, en sus casi treinta años de recorrido, toda su actividad de ha centrado en investigación y desarrollo. Gracias a esta inver­ sión en conocimiento y tecnología, Boston Dynamics podrá apor­ tar a la sociedad la tecnología robótica para resolver los desafíos de 116

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cualquier aplicación. ¿Será Hyundai quien sepa explotar esta ri­ queza? Tras fundar Boston Dynamics dedicaron toda una primera década a la simulación dinámica del movimiento de las personas y los animales: cómo corren, saltan, hacen acrobacias. Mediante programas de ordenador podían replicar, analizar y modificar los principios dinámicos de cualquier movimiento. En 2004 enseñan al mundo BigDog, su primer robot. Un cuadrúpedo de más de 150 kg de peso, con actuación hidráulica elástica en serie (SEA) capaz de correr en terreno natural, incluso en suelos helados y resbaladizos. En el vídeo que lanzaron se podía ver al robot resol­ ver situaciones increíbles, como salir airoso de un resbalón en un suelo helado, en el que la mayoría de las personas se caerían, o perturbaciones desestabilizantes, empujones, etc. BigDog dejó con la boca abierta a la comunidad científica, y empezó a perturbar al público general, ya que su aplicación era la de una mula de carga para el ejército, aunque nunca se llegó a utilizar para este fin. Tras varias evoluciones de BigDog (como Cheetah y Wild­­ Cat), en 2016 presentan SpotMini (actualmente renombrado Spot), un cuadrúpedo del tamaño de un perro, de unos 25 kg de peso. El can es capaz de moverse por cualquier tipo de suelo o terreno, entre obstáculos, subir o bajar escaleras, con una movili­ dad sin precedentes, alcanzando velocidades de hasta 4,8 km/h, con una robustez y fiabilidad únicas hoy en día. El sistema de actuación es SEA con motores eléctricos, en una configuración de pata de tipo mamífero, el sistema de control es dinámicamen­ te estable, y se nutre de baterías con una duración de 90 minutos de carga. El sistema de control, sorprendentemente, no incluye técnicas de IA, se basa en modelos muy precisos de la dinámica del movimiento tras décadas de estudio, y en una tecnología de percepción y actuación rápida y potente que permite ejecutar los algoritmos de control dinámico. Eso no significa que los robots de Boston Dynamics no sean inteligentes, sino que no exploran la inteligencia lógicomatemática inherente a la IA o inteligencia cognitiva, sino que exploran y explotan otro tipo de inteligencia, la kinestésica. La inteligencia de estos robots redunda en el co­­ nocimiento de su cuerpo, de sus movimientos, en la habilidad 117

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motriz y la interacción física y dinámica con su entorno. La IA sí está en el sistema de percepción, basado en visión artificial, Spot puede ver en 360º gracias a cinco cámaras situadas alrededor de su cuerpo (dos al frente, una a cada lado y una trasera) y es ca­ paz de detectar y reconocer obstáculos y objetivos, moverse de forma autónoma en el bajo y medio nivel, aunque su sistema de navegación de más alto nivel no es autónomo, sino que está te­ leoperado. Eso sí, un Spot en Boston puede operarse remota­ mente desde San Francisco. Su sistema de seguridad es tal que evita tropezar con una persona aunque el teleoperador le indique lo contrario. Spot además puede incorporar un brazo robótico sobre sus hombros delanteros para realizar tareas de manipula­ ción. En una configuración rotacional en sus tres primeros gra­ dos de libertad, los que controlan la posición, y una muñeca es­ férica, puede recoger o mover objetos rígidos, frágiles (como recoger los vasos de un lavavajillas), blandos, textiles (recoge ropa del suelo y la lleva a la cesta de la ropa sucia), y puede abrir o cerrar puertas. El movimiento del brazo está coordinado con el movimiento del cuerpo, con lo que la versatilidad de movimien­ tos es prácticamente infinita. Spot es el primer robot comercial de Boston Dynamics, salió a la venta en 2020 por 74.600 dólares para aplicaciones de vigilancia, inspección y/o manipulación. Puede cargar con 14 kg de peso adicional. Entre los clientes que han adquirido a Spot se encuentra NASA/JPL, que probable­ mente esté considerando algún trabajo de inspección en Marte. Estoy convencida de que en los próximos años Spot va a ser un banco de trabajo para la investigación en IA, ya que aporta la interfaz física con el mundo robusta y versátil que los estudios sobre IA fuerte requieren para evolucionar. En 2008 Boston Dynamics presenta su primer robot huma­ noide, Petman (Protection Ensemble Test Mannequin), desarrolla­ do como un maniquí para proteger a los soldados de ataques con agentes químicos. Petman podía caminar a la velocidad de cual­ quier persona, agacharse, incluso hacer flexiones. Basado en tec­ nología hidráulica SEA y control dinámico del movimiento, Petman evoluciona hacia Atlas en 2010, ampliando capacidades como correr y hacer saltos acrobáticos. Atlas es para Boston 118

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Dynamics un banco de trabajo para la investigación en control dinámico de robots, y más aún, un claro demostrador de la rele­ vancia del hardware en la robótica. De forma opuesta a las últi­ mas corrientes que ponen el acento en la IA, Atlas demuestra el papel fundamental de hardware para conseguir la robustez de un robot, y defiende que esta robustez es lo que va a permitir am­ pliar las capacidades del software y la IA. Atlas tiene un sistema de visión artificial basado en cámaras estéreo y láser, los dos bra­ zos con o sin manos robóticas forman parte del movimiento di­ námico del robot. Las manos son un complemento, en cuyo caso permiten al robot manipular cualquier objeto. El sistema de con­ trol dinámico controla 28 grados de libertad actuados hidráuli­ camente. Incluye el control de la interacción con el entorno, sien­ do capaz de realizar manipulaciones que requieren fuerza y coordinación de todo el cuerpo, incluyendo las piernas, mante­ niendo siempre el equilibrio. Las tecnologías hardware claves que ha resuelto Boston Dynamics para Atlas están relacionadas con el sistema de actuación y la inyección de potencia al movimiento, y que se distribuyen entre un grupo electro-hidráulico compac­ to, unas válvulas hidráulicas de acción directa y un sistema sofis­ ticado de baterías. Atlas mide un metro y medio y pesa 80 kg. Atlas es un robot para I+D, la compañía no tiene intención de comercializarlo (aunque vendió varias unidades a DARPA para el Robotics Challenge). Con él sigue consiguiendo compor­ tamientos fascinantes. En los últimos vídeos (2021) Atlas combi­ na el parkour (disciplina física basada en la capacidad motriz del individuo cuyo objetivo es trasladarse de un punto a otro de la forma más eficiente posible) con los ejercicios acrobáticos. El sofisticado sistema de control se basa en la programación de una serie de comportamientos dinámicos off-line (saltar una caja, co­ rrer, rodear un obstáculo, saltar una zanja), para, utilizando con­ trol predictivo basado en modelos y otras técnicas de control óptimo determinar en tiempo de ejecución, en función de la si­ tuación percibida, qué comportamiento o conjunto de compor­ tamientos aplicar y por tanto qué trayectorias deben generarse en el robot para provocar los comportamientos dinámicos de­ seados. 119

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Atlas tiene el mismo nombre que nuestro exoesqueleto pe­ diátrico, del que hablaré enseguida. La segunda vez que coincidí con Marc Raibert, esto salió en la conversación. Fue en el año 2012 en un congreso internacional de robótica en Baltimore (Maryland). Habían pasado quince años de aquel primer encuentro en el MIT y yo ya era una investigadora con un cierto renombre internacio­ nal, y empezaba a conocerse nuestro exoesqueleto ATLAS. Marc solía participar por invitación en alguna conferencia plenaria y se marchaba a continuación. Coincidimos de nuevo en un ascensor, y nos reímos de la coincidencia, y de la del nombre de nuestros ro­ bots, y él se lamentó de no haberse decantado por su primera op­ ción de llamarle Zeus. Fue un rato entretenido y anecdótico. Handle es el último robot que lanza Boston Dynamics, con fines comerciales, con aplicaciones en logística. Se trata de un híbrido entre robot humanoide con ruedas en los pies. Su cuerpo termina en un brazo manipulador. El resultado es un robot de propósito general y versátil, para aplicaciones industriales de pa­ letizado y manipulación de cargas. Básicamente las mismas apli­ caciones de cualquier robot industrial, pero es como si estuvie­ ran todos los robots en uno, incluyendo los AGV, ya que Handle puede desplazarse por el entorno gracias a sus ruedas. El sistema de visión localiza los palés a través de marcas, pero después loca­ liza las cajas y las maneja según se le indique. Puede levantar y manejar hasta 45 kg de carga. El alcance del brazo manipulador es de 2 metros, y el volumen de trabajo es prácticamente ilimita­ do al combinar el movimiento del brazo, el del cuerpo, las pier­ nas y la movilidad de las ruedas. El robot puede rodar a más de 15 km/h, que puede combinar con zancadas en superficies irre­ gulares, o bajar escaleras. Puede dar saltos de 1,20 m de altura. Usa deep learning y visión 3D en la percepción.

ATLAS, un exoesqueleto para niños En el año 2009 un matrimonio se acercó al Centro de Automática y Robótica del CSIC recomendados por un industrial cola­ ­ borador del Departamento de Control. Conocían la actividad 120

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investigadora del departamento en robots caminantes, y querían saber si nuestro equipo de investigadores podía construir un robot que ayudara a su hija a caminar. Daniela tenía 6 años y una tetra­ plejia que le impedía caminar. Se movía en silla de ruedas, como tantos otros millones de niños en el mundo afectados por algún tipo de enfermedad o daño neurológico. Pero aunque la silla de ruedas aporta una cierta independencia funcional para despla­ zarse, la sedestación permanente tiene efectos en la salud física y psíquica de estos niños. Los padres de Daniela habían oído que algunas empresas de robótica y centros de investigación habían creado unos robots con piernas que se acoplaban al cuerpo de una persona con lesión medular y le permitían caminar, al mo­ verse solidariamente las piernas del robot y las de la persona. Pero las empresas que ellos mencionaban, Ekso y ReWalk, co­ mercializaban exoesqueletos para adultos con paraplejia, y no tenían en sus planes de negocio abordar el sector pediátrico. Así nació el proyecto ATLAS, el primer proyecto financiado por el Plan Nacional que yo lideraba como investigadora principal. Antes de eso, había dedicado ocho años al estudio de la estabili­ dad dinámica de robots caminantes y los tres últimos a investigar nuevos actuadores basados en biomimetismo, para conseguir dotar a los robots caminantes de agilidad y destreza. La aplica­ ción más directa de esa investigación eran los exoesqueletos ves­ tibles, y la necesidad que nos plantearon los padres de Daniela nos pareció una razón más que suficiente para volcar todo nues­ tro conocimiento en esa aplicación. El proyecto ATLAS tuvo tres grandes resultados. El primero, un nuevo actuador eléctrico con elasticidad en serie y rigidez variable, lo suficientemente com­ pacto para poder introducirlo en un exoesqueleto. La elasticidad y adaptación de este actuador ARES hacía posible utilizar los exoesqueletos para ayudar a caminar a los niños con enfermeda­ des neurológicas. Estas enfermedades, que van desde las paráli­ sis cerebrales hasta lesiones medulares o enfermedades neuro­ musculares como las atrofias musculares o las miopatías, tienen una sintomatología compleja y variable, que va desde hipotonías, escoliosis, luxaciones de cadera, hasta rigideces musculares que bloquean el movimiento o incluso movimientos espasmódicos 121

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involuntarios. Para poder controlar el movimiento de un niño con alguna de estas características es necesario construir un ro­ bot antropomorfo, que se adapte a la biomecánica del cuerpo hu­ mano, y que sea blando y adaptable a los síntomas antes descritos. Esto fue lo que incorporamos en el exoesqueleto ATLAS, primer prototipo que se probaba con éxito en niños en el año 2012. Ese prototipo fue el segundo resultado del proyecto ATLAS. El tercero vino al terminar el proyecto, cuando familias y médicos de todo el mundo empezaron a escribir y llamar solicitando el uso de ATLAS. Se trataba de un prototipo de investigación y no se podía comer­ cializar en ese estado, por lo que fundé Marsi Bionics, la empresa que ha conseguido pasar todas las etapas de certificación del ATLAS como producto sanitario, y desde 2021 tiene la autoriza­ ción de la Agencia Europea del Medicamento para su comerciali­ zación y uso clínico en niños de 3 a 14 años. ATLAS tiene ocho grados de libertad actuados, que mue­ ven las articulaciones de las dos piernas robóticas (tobillo, rodilla y cadera) en el plano sagital y la cadera en el plano frontal, todo coordinado desde un controlador central y ocho controladores de bajo nivel. El sistema de control se basa en técnicas de control de impedancia y asistencia según necesidad, y no utiliza algorit­ mos de IA más allá de la fusión sensorial. El sistema de percep­ ción lo forman cientos de sensores integrados en la estructura mecánica, en los propios actuadores y en el sistema ortésico, que está en contacto con el niño. ATLAS es actualmente el exoesque­ leto más evolucionado, con un hardware adaptable y elástico am­ plía el número de enfermedades que se pueden tratar con un exoesqueleto, hasta entonces limitado a pacientes adultos con paraplejia sin espasticidad. ATLAS está indicado para parálisis cerebral y enfermedades neuromusculares graves, como la atro­ fia muscular espinal, consiguiendo mejorar el estado de salud de los niños que lo utilizan de forma rutinaria, aumentando su fuer­ za muscular, su rango articular y regulando el tono muscular en los casos espásticos. Pero más que todo eso, ATLAS abre un nue­ vo horizonte en la rehabilitación de estas enfermedades, dando un salto cualitativo, desde una rehabilitación basada en la mani­ pulación fisioterapéutica, o el ejercicio sobre un tapiz rodante 122

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asistido por personas o por robots, a una terapia en la que el niño es protagonista, al que se le facilita una herramienta para cami­ nar en suelo natural, en un espacio en el que puede realizar jue­ gos, sentirse niño, sentirse capaz, mientras su sistema neuromus­ cular se rehabilita, aprende, mejora.

NAO y PEPPER Para la inmersión de los robots humanoides en la vida diaria puede que aún falte un poco, pero hay dos humanoides que han conseguido una interacción casi natural con el ser humano, y especialmente con los niños. NAO y Pepper, robots desarrollados por Softbank Robotics (en origen por Alderaban Robotics, em­ presa francesa adquirida por Softbank). No tienen una alta sofis­ ticación en su hardware, quizá han logrado integrar lo básico para lograr una interacción atractiva para el humano. NAO es un robot humanoide de 58 centímetros, interactivo, programable y en constante evolución. Nació en 2008, y ha pa­ sado ya por cinco versiones hasta llegar al modelo NAO evolution v5. NAO es un humanoide que camina, mueve los brazos y la cabeza, gracias a 25 grados de libertad actuados. El robot NAO se relaciona a través de múltiples sensores (dos cámaras, cuatro micrófonos, nueve sensores táctiles, dos sensores de ultrasoni­ dos, ocho sensores de presión, un acelerómetro y un giróscopo) y permite ser programado desde muy temprana edad (educa­ ción primaria), por lo que está indicado en el ámbito escolar. Así mismo personifica una plataforma evolutiva que se adapta al ni­ vel del usuario, desde los cinco años hasta esferas universitarias y de investigación. Su diseño, recordando a un niño, pero sin perder su aspecto de robot, ha sido un acierto y una de las claves de su éxito. Algunos otros humanoides están tratando de emular la piel y el aspecto humano, y en la mayoría de las ocasiones consiguen un efecto de rechazo. NAO incluye un sistema de reconocimiento de voz, en varios idiomas, por lo que la interacción es natural. El lenguaje corporal juega un gran papel y es percibido por los niños con mayor facilidad que cualquier otra forma de comunicación. 123

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La libertad de movimiento de NAO lo hace un robot más huma­ nizado y versátil que atrae todas las miradas. Puede realizar una amplia gama de movimientos simpáticos que hacen las delicias de los más pequeños y consigue captar su atención, por lo que es una excelente herramienta para la enseñanza. Está siendo una herra­ mienta fabulosa para la educación de niños con trastorno autista. También es una plataforma abierta para la investigación en IA y sistemas multirrobot, habiéndose establecido hasta ligas de futbol robótico cuyos jugadores eran robots NAO. El robot Pepper, por su parte, representa el futuro de la aten­ ción al público y la comunicación robot-cliente. Se comunica de forma fluida y se relaciona con el medio al interpretar los gestos, tono de voz e incluso posición de sus interlocutores. Pepper es un robot humanoide con locomoción sobre ruedas, de 120 centíme­ tros de alto, programable y diseñado para interactuar con perso­ nas. Su tecnología le permite detectar tanto el lenguaje verbal co­ mo el no verbal, la posición de la cabeza y el tono de voz, para reconocer el estado emocional e individualizar cada interacción. Esto provoca un sentimiento de empatía y una conexión entre robot-cliente que favorecen una comunicación eficaz. Al igual que NAO, su sistema de percepción incluye una cámara en 3D y cua­ tro micrófonos, y se mueve mediante ruedas, a diferencia de NAO, que tiene piernas. Presenta movimientos imitando los gestos hu­ manos, y se desplaza en cualquier dirección hasta a 3 km/h.

Los robots del almacén de Amazon Bert y Ernie, nuestros Epi y Blas de Barrio Sésamo en su versión original, ahora también forman parte del equipo de robots que trabaja en el almacén de Amazon. Amazon utiliza la robótica para mejorar la seguridad en el trabajo de sus empleados. Por ejemplo, Ernie está diseñado para sacar de las estanterías los contenedores de productos conocidos como totes a diferentes alturas, y luego utilizar su brazo robótico para entregar los totes a los empleados del almacén a una altura estándar. El objetivo es reducir el tiempo que los trabajadores 124

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tienen que mantener posturas de alcance o de agacharse para reducir lesiones musculares. En Barrio Sésamo, el mejor amigo de Ernie (Epi) es Bert (Blas), y también hay un Bert robótico que acompaña a Ernie en el almacén de Amazon. Está diseñado para encontrar por sí mis­ mo el camino a través de las instalaciones de la empresa de for­ ma segura, transportando cargas pesadas de un extremo a otro del almacén, reduciendo el desgaste humano. Amazon tiene toda una flota de robots diseñados para transportar los carros estandarizados que llevan los paquetes y las cajas vacías por las instalaciones de Amazon. Desde los pri­ meros Kiva (llamados así por la empresa que se los suministraba a Amazon, Kiva Systems, hasta que fue adquirida por la propia Amazon) y sus sucesivas evoluciones, diseñados para mover los estantes y así acelerar la estiba y recogida. Estos pequeños robots se cuelan entre los pies de las estanterías y las levantan, pudiendo transportar 560 kg cada uno, atravesando el almacén a una velo­ cidad de unos 5 km/h. La empresa afirma que unos 350.000 robots móviles traba­ jan actualmente junto a los cientos de miles de humanos emplea­ dos en sus centros de distribución de todo el mundo. Este núme­ ro de robots es un 75% más alto que la estimación que Amazon compartió hace dos años.

El robot quirúrgico Da Vinci El sistema quirúrgico Da Vinci es el instrumento quirúrgico más sofisticado existente. Es un robot de tipo master-slave, que obede­ ce al cirujano a la vez que aumenta su capacidad para operar con precisión y destreza, reduciendo el temblor y proporcionando una visión excepcionalmente clara de la anatomía del paciente. Consta de una consola ergonómica para el cirujano, un ro­ bot junto al paciente con brazos interactivos, un sistema de visión e instrumentos y accesorios, como la EndoWrist, que propor­­ ciona siete grados de libertad adicionales imitando los movi­ mientos de la muñeca humana. 125

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Su comercialización la realiza la empresa Intuitive Surgical, que mantiene su liderazgo dentro de los sistemas quirúrgicos robóticos desde hace más de una década. Lo que describo a con­ tinuación es una transcripción literal de la opinión de los ciruja­ nos de la clínica CEMTRO. El cirujano opera sentado cómodamente en una consola manipulando los mandos del robot y obteniendo una visión tridimensional del inte­ rior del paciente. En esta consola es posible además visualizar simul­ táneamente las pruebas de imagen que se realizaron antes de la ciru­ gía, o la localización de las biopsias que resultaron positivas dentro de la próstata, para ayudar al cirujano a comprender mejor la anatomía de un tumor mientras lo opera. La consola permite también utilizar un sistema de fluorescencia que ayuda al cirujano a localizar los vasos sanguíneos, permitiendo reducir el sangrado durante las operaciones. La comodidad del cirujano durante la intervención evita la fatiga que afectaba a muchos cirujanos que operaban de pie en operaciones lar­ gas y complejas. La consola se conecta a un potente ordenador que es el “cere­ bro” del robot, que proyecta en una pantalla lo que el cirujano está viendo y haciendo y que permite que los ayudantes puedan interac­ tuar con el cirujano durante la intervención, dibujando o señalando sobre la pantalla y transmitiendo al cirujano sus impresiones sobre la misma. Una vez que el paciente está anestesiado y se le han colocado los puertos de acceso a través de pequeños orificios de 8 mm en la piel, el robot se acopla a estos puertos y se introducen los instrumentos quirúrgi­ cos. Estos obedecen a las manos del cirujano y le dotan de una gran liber­ tad de movimiento, mejorando la calidad del mismo, reduciendo el tem­ blor y aumentando la precisión. El cirujano visualiza el interior del paciente en tres dimensiones, como si estuviera dentro, gracias a un sistema de visualización estereoscópico de alta definición que permite ampliar la imagen para poder visualizar la anatomía microscópica cuan­ do es necesario. El cirujano experimenta una sensación de inmersión en el proce­ dimiento quirúrgico y llega a identificarse con el robot y a sentir que su capacidad para operar se ha visto aumentada. 126

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Sus aplicaciones incluyen cirugía del cáncer de próstata, ci­ rugía renal (cáncer de riñón, nefrectomía, pieloplastia), cirugía de vejiga (cistectomía) y otros usos en cirugía general (colecis­ tectomía, cáncer de colon y recto, cirugía del reflujo gastroesofá­ gico) y cirugía ginecológica (histerectomía, endometriosis, mio­ mectomía, sacrocolpopexia). Las ventajas encontradas frente a la cirugía convencional son la extirpación más precisa del tejido tumoral, recuperación más rápida, menor pérdida de sangre, menor riesgo de complicaciones e infecciones quirúrgicas, estancia hospitalaria más corta.

El robot doméstico de TOYOTA En los últimos años, Toyota ha puesto más empeño en la investi­ gación robótica de futuro que casi nadie. Entre otras cosas, ha creado el Instituto de Investigación de Toyota (TRI), poniendo en su dirección general a Gill Pratt, quien antes fue sucesor de Marc Raibert en el MIT Leg Lab y director de programas de DARPA. El TRI tiene tres centros localizados en el campus de tres de las mejores universidades de Estados Unidos, con las que colabora estrechamente: Universidad de Stanford, Los Altos, California; Universidad de Michigan, Ann Arbor; y por supuesto Massa­­ chussets Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts. Adicionalmente Toyota ha invertido en más de 25 startups. El TRI está poniendo el foco en los robots domésticos, por­ que considera que es donde va a haber una demanda creciente de robots, y al mismo tiempo es el entorno más difícil para des­ plegarlos por su naturaleza imprevisible. Pero a medida que la población sigue envejeciendo (un problema cada vez más grave en Japón), los hogares ofrecen un enorme potencial para ayudar­ nos a mantener nuestra independencia. Muchos hogares, especialmente en Japón, son muy peque­ ños para que un robot navegue de forma segura. Por eso Toyota ha diseñado un robot que cuelga del techo, y se mueve horizon­ talmente mediante un sistema de carriles, mientras dos brazos manipuladores realizan las tareas del hogar: limpiar, cocinar, 127

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recoger los platos, abrir la nevera, etc. Al desplazarse por el te­ cho, el robot evita los problemas que supone desplazarse por el suelo de la casa y navegar por espacios reducidos. Cuando no se utiliza, el robot se pliega en el techo. Para hacer frente a la diversidad que encontrará en un entorno doméstico, el TRI enseña al robot a realizar tareas ar­ bitrarias con una variedad de objetos, en lugar de programarlo para hacer tareas predefinidas con objetos específicos. De este modo, el robot aprende a relacionar lo que ve con lo que se le ha enseñado, de modo que si vuelve a ver un objeto y un esce­ nario, aunque la escena haya cambiado ligeramente, sabrá qué acciones puede realizar con respecto a lo que puede ver. TRI utiliza a los humanos como profesores para que los ro­ bots aprendan y adquieran habilidades en el mundo real. Uti­­ lizando la realidad virtual, un entrenador humano ve lo que el ro­ bot ve en tiempo real, y luego le ordena realizar diferentes acciones. El objetivo es generalizar este tipo de aprendizaje, de modo que si un robot aprende una tarea de limpieza en una cocina doméstica simulada, pueda hacer la misma tarea en cualquier cocina. Toyota también está introduciendo la robótica blanda en sus desarrollos. Ha desarrollado una pinza robótica blanda con capacidad de detección táctil de alta densidad. La superficie de cada pinza está cubierta por una burbuja que cede suavemente cuando entra en contacto con un objeto. El grado de conformi­ dad puede controlarse cambiando la presión en la burbuja, mientras que una cámara dentro de la burbuja detecta la forma de la piel de la burbuja y sigue el movimiento para estimar las fuerzas de cizallamiento en la superficie.

El coche autónomo de Waymo El sector de la tecnología de autoconducción se encuentra ahora mismo en una situación extraña. Varias empresas llevan años in­ virtiendo millones de dólares en tecnología de autoconducción, y muchas de ellas tienen prototipos de vehículos de autoconducción que parecen funcionar. Sin embargo, solo una empresa ha lanzado 128

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un servicio de taxi comercial totalmente sin conductor. Waymo empezó siendo el proyecto del coche autónomo de Google en 2009 y ha sido el líder tecnológico de la industria de la autocon­ ducción desde entonces. Sin embargo, su evolución parece haber encontrado un atasco. Joel Johnson se puso nervioso cuando su taxi autónomo se detuvo en medio de una carretera muy transitada en los subur­ bios de Phoenix. El coche de Waymo se encontró con una hilera de conos de tráfico en una zona de obras y quedó detenido, no se movió de ahí, formando un atasco considerable. Después de 14 minutos obstruyendo el tráfico, un técnico de Waymo intentó acercarse, pero el coche inesperadamente se movió alejándose de él. Waymo no ha ampliado su servicio de robo-taxi más allá de Phoenix tras años de cuidadosas pruebas. A pesar de los años de investigación y de los miles de millo­ nes de dólares invertidos, la tecnología que hay detrás de los co­ ches de autoconducción sigue teniendo fallos. No hace mucho tiempo, el glorioso futuro de los vehículos autónomos de Waymo y sus muchos competidores parecía estar cerca. Sin embargo, aunque se ha conseguido el 99% del objetivo, parece que el 1% restante va a ser difícil de alcanzar. ¿Cuántas veces vas conduciendo y encuentras una señal de stop que está doblada o caída, por un impacto con otro coche? Como conductor, aunque la señal no se vea, sigues sabiendo que hay una señal de stop ahí, así que te paras. Incluso si un semáfo­ ro está fuera de servicio, no te bloqueas, sabes atravesar la inter­ sección con seguridad. A veces basta con mirarse entre los con­ ductores. Los humanos somos muy buenos compensando estos errores. Las máquinas tienden a ser más frágiles en esos aspec­ tos, menos adaptables a esas situaciones.

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CAPÍTULO 7

Inquietudes y miedos frecuentes

Hace ya algunos años, cuando llevaba poco más de dos disfrutan­ do de mi plaza de científico titular del CSIC hice mi primera entre­ vista para los medios. Se trataba del suplemento dominical de un diario muy conocido. ¡Querían saber del futuro de la robótica! Me preparé la entrevista, recopilé datos estadísticos: proyeccio­ nes de ventas de robots en diez años, líneas de investigación en auge, impacto socioeconómico, vamos, todo sobre el futuro de la robótica. La primera pregunta que me hicieron en la entrevista fue: “¿Cree que los robots se rebelarán contra los humanos en el futuro?”, y la segunda fue: “¿Para cuándo vamos a tener en nuestra casa un robot mayordomo que nos libere de las tareas domésticas?”. En esa ocasión las preguntas me sorprendieron. No se me había pasado por la cabeza que por el futuro de la ro­ bótica se refirieran a las películas de ciencia ficción. Y mira que me gustan esas películas, no por el argumento, siempre tan tre­ mendista, sino por los robots que aparecen, que son fascinantes, especialmente los de Star Wars. Desde aquella entrevista he hecho bastantes más, podría decir que varios cientos a prensa, radio y televisión, y las pregun­ tas siempre son las mismas, así que ya no me sorprenden, pero tengo la esperanza de que, después de haber leído este libro, esas preguntas queden lejos de las inquietudes de las personas, y que en su lugar haya quedado el interés por profundizar y conocer más acerca de esta disciplina tan fascinante como es la robótica. Pero por si acaso, para el lector que ha dado alguna cabeza­ da entre la biografía y la anatomía del robot, voy a responder a las inquietudes que con más frecuencia me llegan, quién sabe si por última vez. 130

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¿Tienen emociones los robots? La emoción es un impulso que se provoca en el sistema nervioso autónomo ante un estímulo. El cerebro emocional libera deter­ minados neurotransmisores como la dopamina, noradrenalina y serotonina, permitiendo que el organismo esté alerta, preparado para la acción. Emociones como el miedo o la ira son reacciones defensivas del propio organismo de cara a la propia superviven­ cia. Así, cuando una persona siente miedo, este miedo hace que reaccione alejándose del estímulo. Todos los seres humanos reac­ cionan ante las emociones de la misma manera. El sistema ner­ vioso organiza rápidamente las respuestas de los distintos siste­ mas: las expresiones faciales, la contracción muscular, la inflexión de la voz. Un robot es capaz de percibir estas respuestas del ser hu­ mano a través de la observación de patrones estímulo-expresión y puede aprender a reconocer las diferentes emociones que ha aprendido en los seres humanos. En esto se basan los robots so­ ciales y los robots terapéuticos. También los robots pueden expre­ sar estas emociones, siempre y cuando al robot se le diseñe ade­ cuadamente, con infinidad de mecanismos en miniatura actuados que permitan cambiar la expresión de la cara: la curva de las cejas, la caída de los párpados, la curva de la boca. Enseñando y entre­ nando adecuadamente al robot, este puede aprender a expresar un conjunto de emociones mediante la generación de gestos facia­ les. La compañía Hanson Robotics ha desarollado varios rostros robóticos; entre ellos destaca la cabeza de Albert Einstein. Pueden reproducirse vídeos en la página web de la compañía que mues­ tran el grado de aproximación que puede llegar a conseguir el ro­ bot al recrear la expresividad humana. ¿Pero puede realmente el robot sentir estas emociones? ¿Tú qué opinas?

¿Puede ser un robot más inteligente que un humano? A finales del 2017, Arabia Saudí, miembro de las Naciones Unidas, concedió la ciudadanía a uno de los robots autónomos 131

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más avanzados del mundo, Sophia. Fue un truco publicitario. No obstante, la acción de Arabia Saudí ha contribuido a forzar a las comunidades internacional y árabe a tener en cuenta el espinoso futuro de los derechos de los robots. Sophia, fabricada por Hanson Robotics, con sede en Hong Kong, no es todavía una inteligencia superavanzada, pero algunos expertos piensan que si su inteligencia sigue creciendo rápidamente podría ser tan in­ teligente como las personas en diez o veinte años. ¿En serio? El cerebro es el elemento del robot que menos se parece a su homólogo en un ser humano. La diferencia máxima entre un hom­ bre y un robot se encuentra en el cerebro. Hemos hablado de la teoría de los dos hemisferios del cerebro: el izquierdo es el encarga­ do del procesamiento matemático, del cálculo, de la lógica. El dere­ cho es el emocional. ¿Cuál de ellos es el encargado de la toma de decisiones en el ser humano? Dirás que los dos, efectivamente. El cerebro de un robot es capacidad de cálculo, es memoria, es veloci­ dad de procesamiento, pero en sus algoritmos de toma de decisio­ nes no interviene ni la intuición, ni la creatividad, ni la emoción. El ajedrecista Gari Kaspárov se enfrentó por primera vez a la computadora Deep Thought en una competición a dos partidas en 1989, y la derrotó fácilmente 2-0. Siete años más tarde la su­ percomputadora de IBM Deep Blue derrotó a Kaspárov en la primera partida de una competición, pero Kaspárov contraatacó ganando tres y empatando dos de las siguientes partidas, para derrotar fácilmente a Deep Blue por 4-2 en la competición. Deep Blue podía calcular 100 millones de posiciones por segundo. Kaspárov tenía maestría. Solo un año después, en 1997, una versión mejorada de Deep Blue derrotó a Kaspárov 3½-2½ en una enormemente publi­ citada competición a seis partidas. La competición estaba empata­ da después de cinco partidas, pero la máquina derrotó al maestro en la partida 6. La supercomputadora de procesamiento paralelo masivo, con 30 nodos, cada uno con 30 microprocesadores, am­ pliada con 480 procesadores más especializados en ajedrez, era capaz de calcular 200 millones de posiciones por segundo. Si la inteligencia se mide por la capacidad de cómputo, la máquina de­ bería haber aplastado a Kaspárov. 132

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La victoria de Deep Blue fue muy ajustada, y para colmo exis­ te una gran controversia alrededor de esta competición. Se co­ menta que en la partida 6, Kaspárov cometió un error garrafal al principio de la partida. Kaspárov cita el cansancio y el desconten­ to con la conducta del equipo de IBM como la razón principal. Después de la derrota, Kaspárov sugirió que en la partida intervinieron jugadores humanos, contraviniendo las reglas. IBM lo negó, pero no quiso proporcionar las copias de los re­ gistros de la computadora cuando Kaspárov lo solicitó. Kas­­ párov solicitó una revancha, pero IBM lo rechazó y retiró a Deep Blue. ¿Ganó realmente Deep Blue a Kaspárov? ¿Existió interven­ ción humana en las jugadas de Deep Blue? ¿O perdió Kaspárov debido al cansancio y otros factores emocionales? El juego de ajedrez, así como otros juegos de estrategia (las damas, el go, etc.), son claros ámbitos de dominio de la inteligen­ cia artificial, que junto a la exponencial capacidad de cómputo, ha demostrado superar la capacidad humana ya en descontadas ocasiones como para considerarlo un accidente. El go es uno de los juegos más complicados por la variedad de acciones posibles en cada jugada, con partidas de hasta 150 movimientos y un factor de ramificación de 250. En 2015 se desarrolló el programa AlfaGo, que ganó por 5 a 0 al campeón mundial. En ciertos dominios en los que la lógica matemática impera, la IA supera la capacidad humana. Sin embargo, la gran mayoría de las situaciones de la vida real requieren de sentido común. La capacidad humana para manejar conocimientos, basados en ex­ periencias, y realizar razonamientos mezclados con intuición no se puede aún emular mediante computación. Al robot le falta el hemisferio derecho: la intuición, la emo­ ción, la tenacidad, la ambición, etc. Podemos seguir multiplican­ do la capacidad de procesamiento de los microprocesadores, po­ ­demos seguir evolucionando la tecnología computacional. Pero somos nosotros quienes diseñamos el cerebro del robot y quie­ nes lo dotamos de “inteligencia”. Y es que el cerebro humano es un enigma para el propio ser humano. Aún no sabemos cómo programar la inteligencia emocional. 133

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¿Se rebelarán los robots contra nosotros? Cyberdyne Systems Corporation se llamaba la compañía que creó Skynet, un programa viral en una red de redes que se hizo con el control de todas las computadoras del planeta, gobernan­ do a los robots y utilizándolos como un ejército para ejercer su dominio sobre el ser humano. Terminator, una película de ciencia ficción de 1984, dirigida por James Cameron. Analizando un poco este argumento podemos encontrar analogías en nuestro mundo real: la red de redes existe, es In­­ ternet. Cyberdyne podría llamarse Google, y los robots están efectivamente conectados a la red. ¡Qué miedo! Supongamos por un momento que el argumento de la pelí­ cula cambia y la película es esta: Cyberdyne Systems Corporation se llamaba la compañía que creó Skynet, un programa viral en una red de redes que se hizo con el control de todas las compu­ tadoras del planeta, gobernando a los electrodomésticos y utili­ zándolos para ejercer su dominio sobre el ser humano. A ver, los electrodomésticos también pueden tener un computador, de he­ cho muchos lo tienen, y tienen conexión a internet. Así que en esta nueva película una lavadora y un frigorífico se rebelan con­ tra los humanos, una los atrapa y los congela, mientras que la otra los ahoga dentro del tambor y se deshace de ellos con un centrifugado de 700 revoluciones por minuto. No hay duda de que tras salir del cine y llegar a casa mirare­ mos a nuestra nevera con otros ojos, pero, realmente, cuando vaya­ mos a la tienda de electrodomésticos a comprar una lavadora, ¿le vamos a preguntar al dependiente: “Oiga, ¿esta lavadora se va a re­ belar contra mí?”. Venga, todos distinguimos la diferencia entre una película de ciencia ficción y la realidad. ¿O no?

¿Están los robots preparados para ayudarnos? Los robots han nacido, han crecido y han madurado con el único fin de ayudar al ser humano. Llevan casi setenta años entrenándo­ se para ese fin y siendo su principal preocupación salvaguardar la 134

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integridad humana. De hecho, mientras no se podía garantizar la seguridad del operario, la normativa obligaba al robot a trabajar completamente aislado. La apertura de una puerta de seguridad detenía por completo el funcionamiento del robot, que perma­ necía inoperativo hasta que el operario abandonaba el habitácu­ lo. Progresivamente los mecanismos de seguridad han ido mo­ dernizándose gracias a los avances tecnológicos en sensores, en velocidad de adquisición y de actuación, y se ha hecho posible la tolerancia a fallos, que no es otra cosa que duplicar, triplicar o cuadruplicar los mecanismos de seguridad, de manera que la única posibilidad de fallo sea debida a una alineación de planetas que haga que fallen absolutamente todos los dispositivos al mis­ mo tiempo. La robustez de los mecanismos de seguridad en los robots personales y de servicio es la primera condición que debe garantizarse para poder poner un robot en el mercado. Aún más estricto, si cabe, es el control de los robots médicos, que deben pasar una serie de evaluaciones clínicas para conseguir el marca­ do CE que posibilita su comercialización en nuestro continente. Además, como cualquier otro dispositivo electromecánico, debe cumplir con la normativa de compatibilidad electromagnética, que establece los niveles de radiación admisible por un dispositivo en contacto con el cuerpo humano. Estas medidas son las mismas que deben cumplir los teléfonos móviles, las maquinillas de afeitar eléctricas o los cepillos de dientes eléctricos, y la certificación nos garantiza que el dispositivo nunca va a sobrepasar los niveles máximos permitidos. Por lo tanto, si disponemos de una tecnología que es segura y que está diseñada para mejorar nuestra calidad de vida, ¿a qué estamos esperando?

¿Estamos los humanos preparados para convivir con los robots? En el pasillo de una escuela de educación primaria estadouni­ dense (¿dónde si no?), una maestra conduce a una fila de alum­ nos de segundo grado. Es una escena que no tiene nada fuera de 135

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lo común hasta que se ve en la fila junto a ellos un estilizado ro­ bot blanco con una pantalla de vídeo que muestra el rostro son­ riente de otro niño. Las alergias que padece Devon Carrow no le permiten asis­ tir a su escuela de West Seneca, Nueva York. Pero el robot de 1,20 metros de altura con comunicación de vídeo le permite asistir a clase a distancia, ver y oír todo cuanto acontece, partici­ par en ella activamente, caminar por los pasillos, dialogar en el recreo e incluso subir al escenario cuando se representa alguna actuación musical o teatral. Lo que más llama la atención es la naturalidad con la que este robot es aceptado por sus compañeros de clase. Estos niños de siete años, criados con videojuegos, tablets, avatares y juguetes a control remoto no ven un robot, sino sencillamente a Devon. Es una muestra de que las nuevas generaciones aceptan con naturalidad al robot como un compañero. Pero lo cierto es que la robótica es una disciplina muy joven, nuestros ancianos han na­ cido antes que el primer robot. Difícilmente pueden incorporar­ los a sus vidas con naturalidad y es comprensible que desconfíen de ellos. Es un proceso de aceptación lento, que debe basarse en la confianza, y para lograrlo es fundamental el conocimiento del robot. No hay nada que provoque más miedo que aquello que desconocemos. Tengo la esperanza de que este libro haya contri­ buido a acercar a los ciudadanos el robot, ya nunca más un des­ conocido.

¿Desplazarán a las personas en sus puestos de trabajo? Es imposible negar el auge de las máquinas inteligentes: con los coches sin conductor, las estaciones de autocompra y las entre­ gas con drones, cada vez hay más tareas automatizadas. Parece claro que la IA y la robótica conducirán a un au­ mento significativo de la productividad y, por tanto, de la rique­ za global. Sin embargo, el aumento de la productividad a través de la automatización suele significar que se necesitan menos 136

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personas para la misma producción. Pero esto no implica nece­ sariamente una pérdida de empleo global, porque la riqueza dis­ ponible aumenta y eso puede incrementar la demanda lo sufi­ ciente como para contrarrestar el aumento de la productividad. Esta no es la primera revolución industrial que vivimos. De hecho, la incorporación de los robots a la industria ya tuvo lugar en la anterior revolución industrial. A largo plazo, el aumento de la productividad en las sociedades industriales ha generado más riqueza en general. En el pasado se produjeron importantes alte­ raciones del mercado laboral. La automatización clásica sustitu­ yó al músculo humano, mientras que ahora es la automatización digital la que sustituye al procesamiento de la información, y a diferencia de las máquinas físicas, la automatización digital es muy barata de duplicar. Por tanto, puede suponer un cambio más radical en el mercado laboral. Así pues, la pregunta princi­ pal es: ¿serán los efectos diferentes esta vez? El análisis del McKinsey Global Institute sobre los efectos de la automatización en el empleo de aquí a 2030 sugiere que la digitalización podría desplazar hasta 375 millones de trabajado­ res en todo el mundo para 2030. Sin embargo, otros estudios afirman que los sistemas robóticos podrían mejorar la experien­ cia en el lugar de trabajo, o llenar los vacíos logísticos creados por las interrupciones de la cadena de suministro, como ocurrió en la pandemia de coronavirus. Está claro que los estudios que tratan de hacer previsiones están sujetos a incertidumbre. Sin embargo, si nos fijamos en las industrias que han realizado una mayor incorporación de robots en los últimos años encontramos algunas pistas. Amazon señala que el empleo humano en su empresa ha aumentado mucho más rápido que su plantilla robótica desde 2012, alcanzando un total de casi 1,3 millones de personas en todo el mundo. Lo que parece ocurrir actualmente en el mercado laboral como resultado de la introducción de la IA y la robótica es la polarización del empleo. Uno de los efectos será un cambio en nuestras tareas, se necesitarán expertos en el manejo de los ro­ bots, en su mantenimiento, y algunos empleos en los que se tra­ baje codo con codo con el robot sufrirán alguna variación o 137

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especialización. Pero aunque nuestras tareas futuras se vean obli­ gadas a cambiar, los humanos seguirán al frente de las operacio­ nes. Los humanos desempeñamos un papel vital en el análisis y la interpretación de los datos. Los humanos somos muy buenos en muchos aspectos en los que un robot no tiene habilidad. Por eso, en lugar de preocuparnos por cómo los robots sustituirán a los humanos, lo que interesa es la relación entre el ser humano y la máquina. Los robots se integrarán para complementar las tareas humanas, para mejorar nuestro rendimiento o la calidad de nues­ tro trabajo; en la mayoría de los casos no habrá una sustitución, porque el robot necesita la supervisión del humano. Especialmente en tareas que impliquen sentido común, intuición, destreza o crea­ tividad, que son extremadamente complejas para un robot, a día de hoy. Los robots sí se introducirán de forma autónoma en tareas peligrosas para los humanos, como la inspección de centrales nucleares o actividades de rescate en presencia de agentes tóxi­ cos. Los robots se envían para explorar Marte, porque no pode­ mos enviar personas allí aún. Aun así, estos robots suelen estar supervisados a través de alguna forma de teleoperación por seres humanos.

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Títulos de la colección ¿Qué sabemos de?

1. El LHC y la frontera de la física. Alberto Casas 2. El Alzheimer. Ana Martínez 3. Las matemáticas del sistema solar. Manuel de León, Juan Carlos Marrero y David Martín de Diego

4. El jardín de las galaxias. Mariano Moles Villamate 5. Las plantas que comemos. Pere Puigdomènech 6. Cómo protegernos de los peligros de Internet. Gonzalo Álvarez Marañón 7. El calamar gigante. Ángel Guerra Sierra y Ángel González González 8. Las matemáticas y la física del caos. Manuel de León y Miguel Ángel F. Sanjuan 9. Los neandertales. Antonio Rosas 10. Titán. María Luisa Lara 11. La nanotecnología. Pedro A. Serena Domingo 12. Las migraciones de España a Iberoamérica desde la Independencia. Consuelo Naranjo Orovio 13. El lado oscuro del universo. Alberto Casas 14. Cómo se comunican las neuronas. Juan Lerma 15. Los números. Javier Cilleruelo y Antonio Córdoba 16. Agroecología y producción ecológica. Antonio Bello, Concepción Jordá y Julio César Tello

17. La presunta autoridad de los diccionarios. Javier López Facal 18. El dolor. Pilar Goya Laza y María Isabel Martín Fontelles 19. Los microbios que comemos. Alfonso V. Carrascosa 20. El vino. María Victoria Moreno-Arribas 21. Plasma: el cuarto estado de la materia. Teresa de los Arcos e Isabel Tanarro 22. Los hongos. María Teresa Tellería 23. Los volcanes. Joan Martí Molist 24. El cáncer y los cromosomas. Karel H. M. van Wely 25. El síndrome de Down. Salvador Martínez Pérez 26. La química verde. José Manuel López Nieto 27. Princesas, abejas y matemáticas. David Martín de Diego 28. Los avances de la química. Bernardo Herradón García 29. Exoplanetas. Álvaro Giménez 30. La sordera. Isabel Varela Nieto y Luis Lassaletta Atienza 31. Cometas y asteroides. Pedro José Gutiérrez Buenestado 32. Incendios forestales. Juli G. Pausas 33. Paladear con el cerebro. Francisco Javier Cudeiro Mazaira 34. Meteoritos. Josep María Trigo Rodríguez 35. Parasitismo. Juan José Soler 36. El bosón de Higgs. Alberto Casas y Teresa Rodrigo 37. Exploración planetaria. Rafael Rodrigo 38. La geometría del universo. Manuel de León 39. La metamorfosis de los insectos. Xavier Bellés 40. La vida al límite. Carlos Pedrós-Alió 41. El significado de innovar. Elena Castro Martínez e Ignacio Fernández de Lucio

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42. Los números trascendentes. Javier Fresán y Juanjo Rué 43. Extraterrestres. Javier Gómez-Elvira y Daniel Martín Mayorga 44. La vida en el universo. F. Javier Martín-Torres y Juan Francisco Buenestado 45. La cultura escrita. José Manuel Prieto 46. Biomateriales. María Vallet Regí 47. La caza como recurso renovable y la conservación de la naturaleza. Jorge Cassinello Roldán 48. Rompiendo códigos. Manuel de León y Ágata Timón 49. Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar. José Vicente García Ramos 50. Las células madre. Karel H. M. van Wely 51. Los metales en la Antigüedad. Ignacio Montero 52. La locura. Rafael Huertas 53. Las proteínas de los alimentos. Rosina López Fandiño 54. Los neutrinos. Sergio Pastor Carpi 55. Cómo funcionan nuestras gafas. Sergio Barbero Briones 56. El grafeno. Rosa Menéndez y Clara Blanco 57. Los agujeros negros. José Luis Fernández Barbón 58. Terapia génica. Blanca Laffon, Vanessa Valdiglesias y Eduardo Pásaro 59. Las hormonas. Ana Aranda 60. La mirada de Medusa. Francisco Pelayo 61. Robots. Elena García Armada 62. El Parkinson. Carmen Gil y Ana Martínez 63. Mecánica cuántica. Salvador Miret Artés 64. Los primeros homininos. Antonio Rosas 65. Las matemáticas de los cristales. Manuel de León y Ágata Timón 66. Del electrón al chip. Gloria Huertas Sánchez, Luisa Huertas Sánchez y J. L. Huertas Díaz

67. La enfermedad celíaca. Yolanda Sanz Herranz y María del Carmen Cénit Laguna 68. La criptografía. Luis Hernández Encinas 69. La demencia. Jesús Ávila 70. Las enzimas. Francisco J. Plou 71. Las proteínas dúctiles. Inmaculada Yruela Guerrero 72. Las encuestas de opinión. Joan Font Fàbregas y Sara Pasadas del Amo 73. La alquimia. Joaquín Pérez Pariente 74. La epigenética. Carlos Romá Mateos 75. El chocolate. María Ángeles Martín Arribas 76. La evolución del género Homo. Antonio Rosas 77. Neuromatemáticas. José María Almira y Moisés Aguilar 78. La microbiota intestinal. Carmen Peláez y Teresa Requena 79. El caballito de mar. Miquel Planas Oliver 80. El olfato. Laura López-Mascaraque y José Ramón Alonso 81. Las algas que comemos. Miguel Herrero y Elena Ibáñez 82. Los riesgos de la nanotecnología. Marta Bermejo Bermejo y Pedro A. Serena Domingo

83. Los desiertos y la desertificación. Jaime Martínez Valderrama 84. Matemáticas y ajedrez. Razvan Iagar 85. Las malas hierbas. César Fernández-Quintanilla y José Luis González Andújar 86. Los alucinógenos. José Antonio López Sáez 87. Inteligencia artificial. Ramón López de Mántaras y Pedro Meseguer 88. Las matemáticas de la luz. Manuel de León y Ágata Timón 89. Cultivos transgénicos. José Pío Beltrán 90. El Antropoceno. Valentí Rull 91. La gravedad. Carlos Barceló Serón 92. Cómo se fabrica un medicamento. María del Carmen Fernández Alonso y Nuria E. Campillo

93. Los falsos mitos de la alimentación. Miguel Herrero 94. El ruido. Pedro Cobo Parra y María Cuesta Ruiz 95. La locomoción. Adrià Casinos Pardo 96. Antimateria. Beatriz Gato Rivera 97. Las geometrías y otras revoluciones. Marina Logares

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98. Enanas marrones. María Cruz Gálvez Ortiz 99. Las tierras raras. Ricardo Prego Reboredo 100. El LHC y la frontera de la física. Alberto Casas 101. La tabla periódica de los elementos químicos. José Elguero Bertolini 102. La aceleración del universo. Pilar Ruiz Lapuente 103. Blockchain. David Arroyo Guardeño, Jesús Díaz Vico y Luis Hernández Encinas 104. El albinismo. Lluís Montoliu José 105. Biología cuántica. Salvador Miret Artés 106. Islam e islamismo. Cristina de la Puente 107. El ADN. Carmen Mora Gallardo y Karel H. M. van Wely 108. Big data. David Ríos Insua y David Gómez-Ullate Oteiza 109. Verdades y mentiras de la física cuántica. Carlos Sabín 110. La quiralidad, el mundo al otro lado del espejo. Luis Gómez-Hortigüela Sainz 111. Las diatomeas y los bosques invisibles del océano. Pedro Cermeño Aínsa 112. Los bacteriófagos. Lucía Fernández Llamas, Diana Gutiérrez Fernández, Ana Rodríguez González y Pilar García Suárez

113. Nanomecánica. Daniel Ramos Vega 114. Cerebro y ejercicio. José Luis Trejo y Coral Sanfeliu 115. Enfermedades raras. Francesc Palau 116. La innovación y sus protagonistas. Elena Castro Martínez e Ignacio Fernández de Lucio

117. Marte y el enigma de la vida. Juan Ángel Vaquerizo 118. Las matemáticas de la pandemia. Manuel de León y Antonio Gómez Corral 119. Ciberseguridad. David Arroyo Guardeño, Víctor Gayoso Martínez y Luis Hernández Encinas

120. Pensar en español. Reyes Mate 121. La esclerosis múltiple. Leyre Mestre y Carmen Guaza 122. Por qué y cómo se hace la ciencia. Pere Puigdomènech 123. Nanotecnología para el desarrollo sostenible. Pedro A. Serena Domingo 124. Los coloides. Rodrigo Moreno Botella 125. De la micro a la nanoelectrónica. José M. de la Rosa 126. Las hormigas. José Manuel Vidal Cordero 127. Nuevos usos para viejos medicamentos. Nuria E. Campillo, María Mercedes Jiménez Sarmiento y María del Carmen Fernández Alonso

128. El Neolítico. Juan F. Gibaja Bao, Millán Mozota Holgueras y Juan José Ibáñez 129. Los superalimentos. Jara Pérez Jiménez 130. El vacío. José Ángel Martín Gago

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El robot cuadrúpedo SILO4, desarrollado en el Instituto de Automática Industrial del CSIC en 1999.

El exoesqueleto pediátrico ATLAS 2030 comercializado por Marsi Bionics desde 2021 (tecnología patentada y transferida desde el CSIC).

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El robot PUMA de Unimation (1978), precursor de los robots industriales, en la NASA.

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El DaVinci Surgical Robot, de la empresa Intuitive Surgical, es el robot más extendido para cirugía mínimamente invasiva.

Fuente: 2016 Intuitive Surgical, Inc.

El robot humanoide ASIMO, de Honda, bajando escaleras.

Fuente: Cortesía de Honda Motor Corp.

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Fuente: Cortesía de Hocoma, Suiza.

Lokomat, exoesqueleto estacionario para el entrenamiento de la marcha en hospitales, de Hocoma.

El Mars Rover Perseverance (NASA/JPL), en su misión en Marte.

Fuente: Cortesía de NASA/JPL-Caltech.

El Mars Helicopter Ingenuity (NASA/JPL).

Fuente: Cortesía de NASA/JPL-Caltech

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Últimos avances en robots blandos.

Fuente: Shih et al. (2020).

Los robots de Boston Dynamics: Atlas y Spot.

Fuente: Cortesía de Boston Dynamics.

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Marc Raibert, fundador de Boston Dynamics, junto a su primer robot comercial Spot.

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Los robots

y sus capacidades

Ya estamos en la era de los robots al servicio del ser humano. Robots con algo que llamamos inteligencia y que van a ser parte de nuestra vida cotidiana: en casa, en el trabajo, en la calle… y ¡formando parte de nuestro propio cuerpo! Pero ¿están los robots preparados para ser parte de nuestra vida? ¿Estamos los seres humanos preparados para confiar en ellos? ¿Son verdaderamente inteligentes? Este libro, una actualización ampliada de la edición de 2015, pretende acercar los robots a las personas y contribuir a su aceptación e integración en la sociedad, descifrando toda su complejidad a través de una analogía con el propio ser humano y derribando algunos mitos. Al terminar su lectura, se podrá distinguir realidad de ficción, se entenderá su funcionamiento y cómo este puede contribuir a mejorar nuestra calidad de vida, y se conocerán los nuevos avances de la robótica, prestando especial atención a la interacción con la inteligencia artificial.

ISBN: 978-84-00-10941-7

¿de qué sirve la ciencia si no hay entendimiento?

¿QUÉ SABEMOS DE? LOS ROBOTS Y SUS CAPACIDADES

Una colección de libros que acerca la ciencia y sus desarrollos tecnológicos al público general a través de sus protagonistas. El personal investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) contextualiza y explica los avances del conocimiento en textos pensados para que la sociedad tenga acceso a las claves de la investigación de forma amena y directa. Desde 2009 ¿Qué sabemos de? publica títulos sobre todas las áreas del saber que atienden tanto a temas de actualidad como a cuestiones generales de la ciencia y la tecnología.

¿QUÉ SABEMOS DE?

Elena García Armada

¿QUÉ SABEMOS DE ?

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Los robots

y sus capacidades Elena García Armada

Elena García Armada Es doctora ingeniera industrial por la Universidad Politécnica de Madrid e investigadora científica en el Centro de Automática y Robótica (CSIC-UPM). Su labor investigadora, de marcado perfil tecnológico, trata de resolver los principales retos científico-tecnológicos en la aplicación de la robótica al servicio del ser humano, habiendo conseguido resultados pioneros en el desarrollo de exoesqueletos biónicos como herramienta de rehabilitación y movilidad de niños que sufren enfermedades neuromusculares. En este sentido, es fundadora y presidenta de la empresa Marsi Bionics, a través de la cual, en colaboración con los principales hospitales españoles, los exoesqueletos pediátricos ya contribuyen a mejorar la salud y la calidad de vida de miles de niños, ralentizando el avance de los síntomas de sus enfermedades.