La mayoría de la gente piensa que el paseo marítimo es el borde de la ciudad. Un equipo de investigadores del MIT lo ve como una obra dinámica, similar a un Lego.
Su nuevo sistema, llamado “FloatForm”, es un enjambre de pequeños barcos robóticos cuadrados que se ensamblan en estructuras más grandes en el agua, se separan y se vuelven a ensamblar en algo nuevo, todo con una mínima dirección humana.
Cada robot, del tamaño aproximado de un plato y 21 centímetros cuadrados, es un recipiente autónomo con sus propios propulsores, sensores y pestillos magnéticos. Juntos, insinúan un futuro en el que la infraestructura flotante podría volverse más adaptable: una plataforma temporal después de una emergencia, un mercado en un canal o un escenario que aparece para un festival y se disuelve cuando la multitud regresa a casa.
“Nuestros proyectos FloatForm visualizan un futuro en el que el paseo marítimo se convierta en una extensión programable de la ciudad, donde los barcos autónomos puedan autoorganizarse en puentes, plataformas y otras estructuras útiles a pedido”, dice Daniela Rus, profesora Panasonic de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT y directora del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT. “Este tipo de robótica distribuida abre nuevas posibilidades para la movilidad, la respuesta a emergencias, el espacio público y la infraestructura en el agua”.
“Con FloatForm, esencialmente estamos convirtiendo superficies de agua estáticas en espacios dinámicos y programables”, dice Wei Wang, autor principal de un nuevo artículo sobre el proyecto y ex científico investigador del MIT que ahora dirige el Laboratorio de Robótica Marina de la Universidad de Wisconsin en Madison. “Imagínese un entorno urbano donde el espacio público no es fijo, sino que puede expandirse, contraerse o reconfigurarse de forma autónoma según demanda”.
“Lo vemos como formar una infraestructura en el agua, utilizando un sistema modular para crear un sistema más grande”, dice Alejandro González-García, ex investigador del MIT CSAIL y del Senseable City Lab. “Si hay una emergencia, se podría formar un nuevo puente para aliviar el tráfico en la ciudad. O se podrían crear mercados flotantes y escenarios flotantes. Si quieres una ciudad más habitable, también quieres usar el agua”.
El trabajo de acceso abierto, publicado hoy en Nature Communications, proviene de los laboratorios de Rus y Carlo Ratti, profesor de práctica de tecnologías urbanas y planificación en el MIT y director del Senseable City Lab, y surge de Roboat, su proyecto conjunto con el Instituto de Soluciones Metropolitanas Avanzadas de Ámsterdam que colocó embarcaciones autónomas de tamaño completo en los canales de Ámsterdam. Esos canales alguna vez transportaron las mercancías de la ciudad; hoy en día, transportan principalmente turistas.
“Exploramos si los canales podrían usarse para la recolección de desechos o para el transporte, para descargar parte de la tensión de las carreteras nuevamente al agua”, dice Niklas Hagemann, estudiante graduado en arquitectura del MIT, afiliado a CSAIL y ex investigador de Senseable City Lab que ha trabajado en el proyecto desde sus primeras etapas. “Las áreas urbanas se están volviendo más densas, entonces, ¿se podría ampliar el espacio público hacia el agua que actualmente está infrautilizada?”
FloatForm reduce esa visión a la escala de una mesa para responder a una pregunta más difícil: ¿Cómo conseguir que docenas, y eventualmente miles, de robots flotantes se organicen por sí mismos?
Lecciones de la balsa de hormigas
El equipo encontró la respuesta en biología. Las hormigas bravas sobreviven a las inundaciones uniendo sus cuerpos en balsas vivas, sin ningún líder que coreografíe la asamblea. Cada hormiga sigue reglas locales simples y surge una estructura resistente.
“Cada hormiga es un agente independiente”, dice González-García. “Queríamos que cada robot tuviera sus propias capacidades, de la misma manera que las colonias de hormigas forman una balsa”.
La mayoría de los sistemas de robots autoensamblables existentes, en el agua y en otros lugares, dependen de una computadora central que dicta cada movimiento. Ese enfoque es vulnerable a puntos únicos de falla y escala mal: las matemáticas de planificación aumentan a medida que se agregan robots, y el enjambre debe ensamblarse secuencialmente, con la mayoría de los robots inactivos mientras esperan su turno. FloatForm invierte la balanza. Un planificador central liviano interviene sólo con moderación, asignando a cada robot una posición final para perfeccionar la red, un nivel de precisión geométrica que los métodos puramente distribuidos luchan por garantizar. Todo lo demás, incluida la navegación hacia la forma del objetivo, evitar colisiones y adaptarse a las perturbaciones, se ejecuta en los propios robots, que se coordinan intercambiando posiciones con sus vecinos inmediatos. Todo el enjambre se mueve a la vez.
Ese paralelismo es lo que distingue la obra. La complejidad de la planificación del enfoque FloatForms depende sólo de los vecinos locales de un robot, no del tamaño total del enjambre. “Lo que estamos tratando de hacer es tener una intervención central mínima y que todos avancen juntos al mismo tiempo”, dice González-García.
En experimentos en el MIT, una flota de ocho robots se reunieron repetidamente desde posiciones aleatorias hasta darles la forma de un objetivo, se engancharon en una estructura rígida, se separaron cuando se les ordenaba, se volvieron a ensamblar en una nueva configuración y luego cruzaron la piscina como un solo barco, cada recorrido tomó de cuatro a ocho minutos. En ese modo final, llamado transporte colectivo, un planificador traza una trayectoria para toda la estructura y cada robot calcula su propia contribución. “Cada robot se convierte en un actuador”, explica González-García. Las simulaciones mostraron que el marco escalaba suavemente hasta enjambres de 64.
“La belleza de este enfoque en gran medida descentralizado es que el cálculo no se atasca a medida que crece el enjambre”, dice Wang. “Ya sea que trabaje con ocho u 80 barcos, toda la flota se coordina y se mueve simultáneamente. Dado que, en principio, el tiempo total de montaje no aumenta significativamente, el sistema sigue siendo altamente escalable”.
Permanecer unidos también tiene una recompensa física. “Nuestros barcos se vuelven más estables al unirse, como la balsa de las hormigas, si hay olas o corrientes”, dice Hagemann.
Un apretón de manos de origami
Los robots se conectan a través de un mecanismo de cierre oculto completamente dentro de cada casco. Un único servomotor en el centro impulsa una estructura auxética inspirada en el origami, una geometría que se contrae uniformemente en todas direcciones a la vez, tirando de los imanes permanentes de los cuatro lados hacia adentro para liberarlos o empujándolos hacia afuera para agarrar a un vecino a través de espacios de 10 a 15 centímetros. Los imanes están dispuestos con polaridades alternas, por lo que los barcos encajan de forma fiable en limpias rejillas cuadradas.
La parte elegante es lo que el mecanismo no hace: consumir (mucha) energía. Una caja de cambios impresa en 3D mantiene el pestillo en cualquier estado con el motor apagado. “Utiliza energía para engancharse y desbloquearse, pero entre esos estados, no utiliza ninguna energía”, dice Hagemann. Para una infraestructura que puede mantener una configuración durante horas, eso es importante. “Como los robots son tan pequeños, sólo se puede tener una batería de un tamaño determinado”, añade González-García. “Si usan menos energía para engancharse, pueden usar más en cálculos o en movimiento”.
Llegar allí requirió un poco de ingeniería humilde. Cuatro propulsores en miniatura dispuestos en forma de “X” dan a cada robot un movimiento omnidireccional, incluido el giro en el lugar, pero acumulan grandes fuerzas en relación con la pequeña inercia de los robots, lo que hacía que los primeros prototipos fueran nerviosos y propensos a giros agresivos a bajas velocidades. El equipo añadió aletas estabilizadoras para aumentar la resistencia hidrodinámica y ajustó los controladores para que siguieran siendo robustos en robots que, a esta escala, nunca son del todo idénticos. Los imanes planteaban su propio problema: se sujetaban tan bien que, a veces, para desengancharlos era necesario que los robots se liberaran.
Del tanque al canal
En 10 pruebas, el sistema completó sus misiones sin intervención humana el 90 por ciento de las veces con cuatro robots y el 70 por ciento con ocho. Cuando las cosas salieron mal, la arquitectura mostró su capacidad de recuperación: un robot que perdió brevemente su orientación pudo volver a unirse a la estructura por sí solo, sin detener todo el enjambre, y los robots atrapados en puntos muertos de formación aprendieron a liberarse y volver a intentarlo.
Pasar de un tanque interior controlado a un canal o puerto real requerirá más que confianza. “Siempre existe una relación entre el tamaño de un barco y la magnitud de la perturbación que puede soportar”, dice González-García. “Estos barcos son muy pequeños, por lo que en aguas muy turbulentas no pueden trabajar”. Ampliar significará reforzar los pestillos, potencialmente con enclavamiento mecánico como el Roboat de tamaño completo usado, y cambiar el posicionamiento interior ultrasónico del laboratorio por GPS o sensores basados en visión. Afortunadamente, el algoritmo de coordinación fue diseñado para ser independiente de los sensores: intercambie los sensores, mantenga la lógica.
El equipo visualiza aplicaciones mucho más allá de los canales de la ciudad, desde la formación de plataformas temporales para inspección y mantenimiento en alta mar hasta redes de sensores adaptativos para estudiar especies migratorias y estaciones de atraque reconfigurables para respuesta de emergencia en áreas de difícil acceso. También existe potencial para operaciones remotas y en alta mar, desde plataformas de construcción temporales hasta monitoreo ambiental y expediciones científicas.
Y la geografía está muy abierta. “Venecia, los Países Bajos, Bélgica, los fiordos y lagos de Noruega, realmente cualquier ciudad con un río puede aprovechar esto”, dice González-García. “El proyecto utiliza espacios donde el agua ya es importante, pero también plantea la pregunta: ¿dónde más se puede utilizar el agua para algo más?”
“Este es un emocionante paso adelante en la realización de comportamientos colectivos distribuidos en el agua”, dice el profesor asistente de la Universidad de Michigan Steven Ceron, que no participó en la investigación. “El ensamblaje, la autorreconfiguración y el movimiento colectivo son bastante difíciles en ambientes secos, pero lograr estos comportamientos de una manera predominantemente distribuida en el agua representa un desafío adicional serio, y este equipo lo ha superado de manera creíble. Al trasladar la carga computacional a los propios robots, han construido un sistema más resistente que en un futuro cercano podría permitir que colectivos de robots como este se implementen en entornos de aguas abiertas para operaciones de búsqueda, monitoreo ambiental e infraestructura marina reconfigurable”.
González-García, Hagemann y Wang escribieron el artículo con los autores principales Ratti, quien también es profesor en el Politecnico di Milano, y Rus. González-García también está afiliado al equipo de investigación MECO en KU Leuven. La investigación fue financiada por una subvención del Instituto de Soluciones Metropolitanas Avanzadas de Ámsterdam, con apoyo adicional de la Universidad de Wisconsin en Madison. El equipo agradece al MIT Sea Grant y al profesor Michael Triantafyllou por proporcionar el tanque de prueba.