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Os brinquedos comuns de marionetes de empurrar em formato de animais e figuras populares podem se mover ou se recolher com o toque de um botão na parte inferior da base dos brinquedos. Agora, uma equipe de engenheiros da UCLA criou uma nova classe de material dinâmico ajustável que imita o funcionamento interno dos marionetes de empurrar, com aplicações para robótica suave, arquiteturas reconfiguráveis e engenharia espacial.
Dentro de um boneco de empurrar, há cordões de conexão que, quando puxados, farão o brinquedo ficar rígido. Mas ao afrouxar esses cordões, os “membros” do brinquedo ficarão moles. Usando o mesmo princípio baseado na tensão do cordão que controla um boneco, pesquisadores desenvolveram um novo tipo de metamaterial, um material projetado para possuir propriedades com capacidades avançadas promissoras.
Publicado em Horizontes de materiaiso estudo da UCLA demonstra o novo metamaterial leve, que é equipado com cabos motorizados ou autoatuantes que são enfiados por esferas de ponta cônica interligadas. Quando ativados, os cabos são puxados com força, fazendo com que a cadeia de aninhamento de partículas de esferas fique presa e se endireite em uma linha, fazendo com que o material fique rígido, mas mantendo sua estrutura geral.
O estudo também revelou as qualidades versáteis do material que podem levar à sua eventual incorporação em robótica leve ou outras estruturas reconfiguráveis:
- O nível de tensão nas cordas pode “ajustar” a rigidez da estrutura resultante — um estado totalmente esticado oferece o nível mais forte e rígido, mas mudanças incrementais na tensão das cordas permitem que a estrutura flexione enquanto ainda oferece força. A chave é a geometria de precisão dos cones de aninhamento e o atrito entre eles.
- Estruturas que usam o design podem entrar em colapso e enrijecer repetidamente, tornando-as úteis para designs duradouros que exigem movimentos repetidos. O material também oferece transporte e armazenamento mais fáceis quando em seu estado não implantado e flácido.
- Após a implantação, o material apresenta uma capacidade de ajuste pronunciada, tornando-se mais de 35 vezes mais rígido e alterando sua capacidade de amortecimento em 50%.
- O metamaterial poderia ser projetado para se autoacionar, por meio de tendões artificiais que acionam a forma sem controle humano
“Nosso metamaterial permite novas capacidades, mostrando grande potencial para sua incorporação em robótica, estruturas reconfiguráveis e engenharia espacial”, disse o autor correspondente e acadêmico de pós-doutorado da UCLA Samueli School of Engineering, Wenzhong Yan. “Construído com este material, um robô macio autoimplantável, por exemplo, poderia calibrar a rigidez de seus membros para acomodar diferentes terrenos para movimento ideal, mantendo sua estrutura corporal. O metamaterial resistente também poderia ajudar um robô a levantar, empurrar ou puxar objetos.”
“O conceito geral de metamateriais de cordão de contração abre possibilidades intrigantes sobre como construir inteligência mecânica em robôs e outros dispositivos”, disse Yan.
Um vídeo de 12 segundos do metamaterial em ação está disponível aqui, no canal do YouTube da UCLA Samueli.
Os principais autores do artigo são Ankur Mehta, professor associado de engenharia elétrica e de computação da UCLA Samueli e diretor do Laboratório de Máquinas Embarcadas e Robôs Ubíquos, do qual Yan é membro, e Jonathan Hopkins, professor de engenharia mecânica e aeroespacial que lidera o Grupo de Pesquisa Flexível da UCLA.
De acordo com os pesquisadores, as aplicações potenciais do material também incluem abrigos automontáveis com conchas que encapsulam um andaime desmontável. Ele também pode servir como um amortecedor compacto com capacidades de amortecimento programáveis para veículos que se movem por ambientes difíceis.
“Olhando para o futuro, há um vasto espaço a ser explorado em termos de capacidades de adaptação e personalização, alterando o tamanho e o formato das esferas, bem como a forma como elas são conectadas”, disse Mehta, que também tem uma nomeação como professor da UCLA em engenharia mecânica e aeroespacial.
Embora pesquisas anteriores tenham explorado cordões de contração, este artigo se aprofundou nas propriedades mecânicas de tal sistema, incluindo os formatos ideais para alinhamento de contas, automontagem e a capacidade de ajuste para manter sua estrutura geral.
Outros autores do artigo são os estudantes de pós-graduação em engenharia mecânica da UCLA, Talmage Jones e Ryan Lee — ambos membros do laboratório de Hopkins, e Christopher Jawetz, um estudante de pós-graduação do Instituto de Tecnologia da Geórgia que participou da pesquisa como membro do laboratório de Hopkins enquanto era aluno de graduação em engenharia aeroespacial na UCLA.
A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval e pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, com apoio adicional do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, bem como serviços de computação e armazenamento do Escritório de Computação de Pesquisa Avançada da UCLA.
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