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Os pesquisadores da Cornell combinaram microatuadores macios com combustível químico de alta densidade de energia para criar um robô quadrúpede em escala de inseto que é movido por combustão e pode ultrapassar, elevar, flexionar e superar seus concorrentes elétricos.
O artigo do grupo, “Atuadores de combustão suave e poderosos para robôs em escala de insetos”, foi publicado em 14 de setembro em Ciência. O autor principal é o pesquisador de pós-doutorado Cameron Aubin, Ph.D. ’23.
O projeto foi liderado por Rob Shepherd, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na Cornell Engineering, cujo Laboratório de Robótica Orgânica já usou combustão para criar um display braille para eletrônicos.
Como qualquer pessoa que tenha testemunhado uma formiga carregando comida de um piquenique sabe, os insetos são muito mais fortes do que seu pequeno tamanho sugere. No entanto, os robôs nessa escala ainda não atingiram todo o seu potencial. Um dos desafios é que “motores, motores e bombas não funcionam realmente quando você os reduz a esse tamanho”, disse Aubin, então os pesquisadores tentaram compensar criando mecanismos personalizados para executar tais funções. Até agora, a maioria desses robôs estava ligada às suas fontes de energia – o que geralmente significa eletricidade.
“Pensamos que usar um combustível químico de alta densidade energética, tal como colocaríamos num automóvel, seria uma forma de aumentar a potência a bordo e o desempenho destes robôs”, disse ele. “Não estamos necessariamente defendendo o retorno dos combustíveis fósseis em grande escala, obviamente. Mas neste caso, com esses minúsculos robôs, onde um mililitro de combustível poderia levar a uma hora de operação, em vez de uma bateria que é muito pesado para o robô levantar, isso é meio óbvio.”
Embora a equipe ainda não tenha criado um modelo totalmente livre – Aubin diz que eles estão na metade do caminho – a iteração atual “estrangula absolutamente a competição, em termos de produção de força”.
O robô de quatro patas, que tem pouco mais de dois centímetros de comprimento e pesa o equivalente a um clipe e meio, foi impresso em 3D com uma resina resistente a chamas. O corpo contém um par de câmaras de combustão separadas que levam aos quatro atuadores, que funcionam como pés. Cada atuador/pé é um cilindro oco coberto com um pedaço de borracha de silicone, como uma pele de tambor, na parte inferior. Quando a eletrônica externa é usada para criar uma faísca nas câmaras de combustão, o metano e o oxigênio pré-misturados são acesos, a reação de combustão infla a pele do tambor e o robô salta no ar.
Os atuadores do robô são capazes de atingir 9,5 newtons de força, em comparação com aproximadamente 0,2 newtons para outros robôs de tamanho semelhante. Também opera em frequências superiores a 100 hertz, atinge deslocamentos de 140% e pode levantar 22 vezes o peso do seu corpo.
“Ser alimentados por combustão permite-lhes fazer muitas coisas que os robôs desta escala não foram capazes de fazer neste momento”, disse Aubin. “Eles podem navegar em terrenos realmente difíceis e superar obstáculos. É um saltador incrível para seu tamanho. Também é muito rápido no solo. Tudo isso se deve à densidade de força e à densidade de potência desses atuadores movidos a combustível.”
O design do atuador também permite um alto grau de controle. Basicamente, girando um botão, o operador pode ajustar a velocidade e a frequência das faíscas ou variar a alimentação de combustível em tempo real, acionando uma gama dinâmica de respostas. Um pouco de combustível e algumas faíscas de alta frequência fazem o robô deslizar pelo chão. Adicione um pouco mais de combustível e menos faíscas e o robô irá desacelerar e pular. Aumente o combustível e dê uma boa faísca e o robô saltará 60 centímetros no ar, cerca de 20 vezes o comprimento do seu corpo, de acordo com Aubin.
“Fazer todos esses movimentos de marcha múltipla é algo que normalmente não se vê em robôs desta escala”, disse Aubin. “Eles são rastreadores ou saltadores, mas não ambos.”
Os pesquisadores prevêem reunir ainda mais atuadores em arranjos paralelos para que possam produzir articulações muito finas e muito fortes na escala macro. A equipe também planeja continuar trabalhando na criação de uma versão independente. Esse objetivo exigirá uma mudança de um combustível gasoso para um combustível líquido que o robô possa transportar a bordo, juntamente com componentes eletrônicos menores.
“Todos apontam para estes robôs à escala de insectos como sendo coisas que poderiam ser usadas para busca e salvamento, exploração, monitorização ambiental, vigilância, navegação em ambientes austeros”, disse Aubin. “Achamos que os aumentos de desempenho que demos a este robô usando esses combustíveis nos aproximam da realidade onde isso é realmente possível”.
Os co-autores incluem E. Farrell Helbling, professor assistente de engenharia elétrica e de computação; Sadaf Sobhani, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial; Ronald H. Heisser, Ph.D. ’23; pesquisador de pós-doutorado Ofek Peretz; Julia Timko ’21 e Kiki Lo ’22; e Amir Gat do Instituto de Tecnologia Technion-Israel.
A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea; a Fundação Nacional de Ciência; e o Escritório de Pesquisa Naval.
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