Cómo construir un exoesqueleto funcional

Para los ingenieros con ideas de diseño, la mayoría de las ideas fracasan en el salto del concepto a la ejecución. Para los creadores independientes y los makers sin formación reglada, esa distancia es aún mayor. Las decisiones de diseño conllevan consecuencias inmediatas: el peso, la fuerza, el movimiento y la capacidad de control interactúan de formas difíciles de predecir sin un proceso de diseño estructurado.

Tyler Csatari se divierte mucho explorando ese terreno. Csatari, creador de contenido con más de 4 millones de seguidores entre TikTok (más de 3 millones), Instagram (más de 900 000) y Facebook (más de 250 000), se especializa en proyectos de fabricación mecánica basados en retos, es decir, en diseñar y construir sistemas que nunca antes había intentado crear. Más allá de reproducir la apariencia, su objetivo es crear sistemas funcionales, lo que denomina cosplay práctico, cuyos mecanismos funcionen según lo previsto.

Csatari señala: "Me gustan los proyectos que parecen difíciles. Se aprende muchísimo". Esa mentalidad de empezar sin tener todos los conocimientos e ir resolviendo los problemas sobre la marcha sentó las bases de su construcción más compleja: un exoesqueleto.

El diseño del exoesqueleto de Csatari requería cuatro brazos controlados de forma independiente que se movieran con fluidez sin perder su integridad estructural. Cada brazo debía extenderse hacia fuera, soportar su propio peso y responder a las señales de entrada sin vencerse bajo la carga. Csatari señala: "El reto es el par de torsión. Cuanto más se extiende un brazo, más fuerza debe soportar la base".

Además, el exoesqueleto estaba concebido para llevarlo sobre el cuerpo, pero la instalación de motores en todas las articulaciones habría aumentado el peso y la complejidad, además de crear nuevos puntos de fallo. Por tanto, el diseño debía equilibrar la transmisión de fuerza, la distribución del peso y la capacidad de control dentro del espacio disponible.

Csatari resolvió estas limitaciones con un sistema accionado por cables y modelado por completo en SOLIDWORKS Design®. Hizo pasar cables de Kevlar por una cadena de vértebras impresas en 3D conectadas a motores montados en una placa dorsal, en lugar de colocar motores en cada articulación.

Cada brazo se acciona mediante tres cables controlados, lo que permite el movimiento multieje y reduce al mínimo el peso. La arquitectura basada en poleas distribuye la fuerza con mayor eficiencia, lo que reduce la carga necesaria en la base sin limitar la amplitud de movimiento. En este dispositivo, que debía llevarse sobre el cuerpo, y en sus piezas había que tener en cuenta la flexión, la cinemática y la durabilidad.

Csatari modeló digitalmente cada componente antes de imprimirlo, incluidas las geometrías de las bisagras, las interfaces de los rodamientos y las estructuras de montaje. Esto le permitió perfeccionar el comportamiento cinemático y las relaciones estructurales antes de la fabricación.

Csatari prefiere SOLIDWORKS por varios motivos: "Era más accesible. Se podía trabajar sin conexión y en línea. Además, ofrecía muchísimas herramientas, así que nos pareció la opción más adecuada".

También afirma con entusiasmo: "La capacidad [de SOLIDWORKS] para dar forma a lo que uno imagina es la vía más rápida entre la concepción de una idea y el resultado real que se desea obtener".

Del concepto a un sistema funcional

El uso de SOLIDWORKS permitió a Csatari mantener un proceso disciplinado en el que las decisiones de diseño durante el desarrollo del exoesqueleto se resolvían digitalmente, no físicamente. En lugar de crear numerosas versiones de los prototipos, Csatari validó los conceptos estructurales, las trayectorias de movimiento y las relaciones entre componentes en el modelo de diseño asistido por ordenador (CAD) antes de pasar a la construcción física.

Csatari añade: "Empecé [el proyecto del exoesqueleto] cuando ya dominaba muy bien SOLIDWORKS. Descubrí muchas funciones que permiten diseñar 10 veces más rápido y con 10 veces más facilidad".

Este enfoque durante todo el proceso de diseño redujo la repetición de trabajos y le permitió gestionar la complejidad del sistema en múltiples mecanismos y subsistemas interrelacionados. El diseño accionado por cables demuestra especialmente cómo el modelado permitió encontrar una solución poco evidente para lograr un movimiento controlado sin un exceso de componentes en la estructura mecánica final.

El proceso también aceleró el desarrollo. Csatari señala que, gracias a SOLIDWORKS, los diseños que antes parecían abrumadores podían ejecutarse rápidamente una vez modelados. El propio modelo se convirtió en la base del proyecto y definió la geometría, el comportamiento y la lógica del ensamblaje antes de fabricar una sola pieza.

El diseño digital como base

El proyecto de Csatari demuestra que, cuando los problemas de diseño se resuelven digitalmente en fases anteriores, la ejecución resulta mucho más predecible. SOLIDWORKS facilita ese cambio al permitir que creadores y makers definan, prueben y perfeccionen sistemas mecánicos complejos antes de comenzar la fabricación.

El prototipo virtual de SOLIDWORKS permite explorar rápidamente alternativas de diseño y distinguir antes las ideas acertadas de las que no lo son, lo que acelera la innovación. Funciones como la comprobación de interferencias y la posibilidad de simular el movimiento para evitar colisiones ayudaron a Csatari a hacer realidad sus ideas con mayor rapidez y eficiencia.

SOLIDWORKS puede aumentar las probabilidades de convertir sus ideas en productos físicos funcionales y atractivos en el primer intento.