La rueda es uno de los inventos más trascendentales de la historia de la humanidad. Es un componente fundamental de las máquinas desde hace aproximadamente 5.000 años y ha evolucionado hasta ser un elemento imprescindible en nuestro día a día. Existen inventos para cambiar una rueda pinchada del coche sin esfuerzo y ruedas sin aire con tecnología de la NASA, pero hasta la fecha nadie había desarrollado ruedas deformables que se adaptan al terreno sobre la marcha y sin perder velocidad para salvar cualquier obstáculo.

Eso es justo lo que ha hecho un equipo de científicos del Instituto Coreano de Maquinaria y Materiales (KIMM), que ha desarrollado por primera vez en la historia una tecnología que permite ajustar la rigidez de la rueda en tiempo real para superar desde piedras en el camino hasta escalones. Como detallan en un artículo para Science Robotics, eso abre una puerta a todo tipo de aplicaciones, desde sistemas robóticos capaces de adaptarse a terrenos complejos, como la superficie de la Luna o Marte, hasta sillas de ruedas que acaban con las barreras arquitectónicas.

"Uno de los problemas asociados a los robots cuadrúpedos y bípedos que caminan para superar obstáculos es que la eficacia del movimiento es relativamente baja en superficies planas", declaró Sung-Hyuk Song, autor principal del estudio, en un comunicado de prensa. "La rueda recién desarrollada es importante porque es capaz de superar obstáculos y, al mismo tiempo, mantener una alta eficiencia de movimiento comparable a la de las ruedas convencionales".

Cómo funciona

Las primeras ruedas eran simples discos de madera con un agujero central para insertarlas en un eje, y su función inicial se centró en la alfarería. Desde el neolítico, han dado muchas vueltas —nunca mejor dicho— y ahora incorporan todo tipo de tecnologías. Incluso hay neumáticos no neumáticos, que utilizan soportes elásticos de polímero o rellenos para absorber mejor los impactos, el rodamiento y otras prestaciones para eliminar la posibilidad de tener un pinchazo o reventón.

Sin embargo, con estas tecnologías las ruedas se deforman continuamente, incluso al rodar por superficies planas, lo que dificulta la estabilidad de la conducción, reduce la velocidad y genera ruido. Por eso Sung-Hyuk Song y su equipo han querido ir más lejos, y para ello se han inspirado en las propiedades de tensión superficial de las gotas de agua.

"En una gota líquida, a medida que aumenta la fuerza de cohesión de las moléculas externas, también aumenta la fuerza neta que tira de ellas hacia el interior", explican en su artículo. "Esto da lugar a una elevada tensión superficial, lo que hace que la gota recupere su forma circular a partir de su forma distorsionada inducida por las fuerzas gravitatorias".

Para replicar este fenómeno, los científicos surcoreanos rodearon el núcleo de la rueda con una estructura de cadena inteligente, unida a radios que modifican la tensión cuando la rueda encuentra variaciones en el terreno. Así, puede funcionar como una rueda rígida y circular en un modo de conducción normal y pasar a un estado deformable al rodar sobre obstáculos, adaptándose a su altura y su forma y recuperando la rigidez una vez superados.

Los radios de alambre están conectados al cubo de la rueda, situado en el centro de rotación, para controlar en todo momento la tensión superficial de la rueda. Cuando el cubo gira o cambia la distancia, la estructura se tensa o se afloja, adaptándose a cualquier elemento con el que se encuentre.

Lo mejor es que se trata de un sistema modular, que se puede adaptar a distintos tamaños y diámetros de rueda, y a vehículos como robots de cuatro ruedas o sillas de dos ruedas para el transporte de personas con problemas de movilidad.

Prototipos

Tras las simulaciones por ordenador, tocaba construir prototipos reales para comprobar tanto en laboratorio como en el exterior si las ruedas de rigidez variable podían cumplir con su cometido. El primer paso fue aplicarlo a un pequeño vehículo para evaluar su rendimiento. La tensión de cada una de las cuatro ruedas podía ajustarse de forma individual, y para la estructura de soporte interior se usó esponja negra, flexible, ligera y blanda.

Así comprobaron cómo el vehículo funcionaba con normalidad en terreno llano y cómo era capaz de superar rocas y escalones con formas irregulares pasando a un estado deformable. El mayor obstáculo que superó tenía 18 cm de altura, un dato 1,2 veces superior al radio de las ruedas.

Dos de los investigadores del KIMM junto a la silla de ruedas deformables KIMM Omicrono

Para probar la silla, duplicaron el tamaño de las ruedas, teniendo en cuenta el tamaño de un humano real, representado en las pruebas por un maniquí. El vehículo pesaba 120 kg, el doble que el de 4 ruedas, lo que supuso un desafío a la hora de aumentar la rigidez de la estructura de soporte. Por eso, cambiaron la esponja por uretano (un adhesivo de gran resistencia y flexibilidad) en forma de nido de abeja. 

"La fuerza de tracción y las características de vibración de la rueda de gran tamaño se evaluaron a altas velocidades de hasta 30 km/h, y también se probó su durabilidad durante más de una hora a una velocidad de 15 km/h. Se estudió la dinámica del sistema de silla de ruedas de dos ruedas y se desarrolló un algoritmo de control", indican Song y su equipo en el artículo publicado en Sciece Robotics. El resultado fue similar: las ruedas superaron rocas y escalones de un tamaño 1,2 veces superior a su radio.

El equipo del KIMM junto a la silla de ruedas y el maniquí utilizados durante las pruebas KIMM Omicrono

A pesar de los avances, queda mucha investigación por delante para que podamos ver en la calle estas ruedas deformables. El polvo y otras partículas pueden penetrar en las zonas situadas entre los bloques de la cadena inteligente y dañar la rueda, por lo que los investigadores trabajan en una cubierta para encapsular la rueda, "similar a la estructura típica de un neumático".

También quieren sustituir el material de la cadena inteligente por poliuretano termoplástico, además de utilizar radios de alambre más gruesos para mejorar la durabilidad de las ruedas. "Esta nueva tecnología de ruedas inspirada en la tensión superficial puede ayudar a superar las limitaciones de los dispositivos mecánicos convencionales, como los robots con patas o grupos de ruedas para superar obstáculos", concluye Dong Il Park, director del Centro de Investigación de Robótica Avanzada del KIMM.