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Inspirados na biomecânica da arraia manta, pesquisadores da North Carolina State University desenvolveram um robô macio com eficiência energética que pode nadar mais de quatro vezes mais rápido do que os robôs macios nadadores anteriores. Os robôs são chamados de “robôs de borboleta”, porque seu movimento de natação se assemelha à maneira como os braços de uma pessoa se movem quando estão nadando borboleta.
“Até o momento, os robôs macios nadadores não conseguiram nadar mais rápido do que o comprimento de um corpo por segundo, mas os animais marinhos – como as arraias – são capazes de nadar muito mais rápido e com muito mais eficiência”, diz Jie Yin, correspondente autor de um artigo sobre o trabalho e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na NC State. “Queríamos aproveitar a biomecânica desses animais para ver se poderíamos desenvolver robôs macios mais rápidos e com maior eficiência energética. Os protótipos que desenvolvemos funcionam excepcionalmente bem.”
Os pesquisadores desenvolveram dois tipos de bots borboleta. Um foi construído especificamente para velocidade e foi capaz de atingir velocidades médias de 3,74 comprimentos de corpo por segundo. Um segundo foi projetado para ser altamente manobrável, capaz de fazer curvas fechadas para a direita ou para a esquerda. Este protótipo manobrável foi capaz de atingir velocidades de 1,7 comprimentos de corpo por segundo.
“Pesquisadores que estudam aerodinâmica e biomecânica usam algo chamado número de Strouhal para avaliar a eficiência energética de animais voadores e nadadores”, diz Yinding Chi, primeiro autor do artigo e Ph.D. recente. pós-graduação do estado de NC. “O pico de eficiência propulsiva ocorre quando um animal nada ou voa com um número Strouhal entre 0,2 e 0,4. Ambos os nossos bots borboleta tinham números Strouhal nessa faixa.”
Os bots borboleta derivam seu poder de natação de suas asas, que são “bisestáveis”, o que significa que as asas têm dois estados estáveis. A asa é semelhante a um grampo de cabelo. Um grampo de cabelo é estável até que você aplique uma certa quantidade de energia (dobrando-o). Quando a quantidade de energia atinge o ponto crítico, o grampo de cabelo assume uma forma diferente – que também é estável.
Nos bots borboleta, as asas biestáveis inspiradas em grampos de cabelo são presas a um corpo de silicone macio. Os usuários controlam a alternância entre os dois estados estáveis nas asas bombeando ar para as câmaras dentro do corpo macio. À medida que essas câmaras inflam e desinflam, o corpo se curva para cima e para baixo – forçando as asas a se moverem para frente e para trás com ele.
“A maioria das tentativas anteriores de desenvolver robôs que batem asas se concentrou no uso de motores para fornecer energia diretamente às asas”, diz Yin. “Nossa abordagem usa asas biestáveis que são acionadas passivamente pelo movimento do corpo central. Esta é uma distinção importante, porque permite um design simplificado, o que reduz o peso.”
O robô borboleta mais rápido tem apenas uma “unidade de acionamento” – o corpo macio – que controla ambas as asas. Isso torna muito rápido, mas difícil de virar à esquerda ou à direita. O bot borboleta manobrável tem essencialmente duas unidades de acionamento, que são conectadas lado a lado. Esse design permite que os usuários manipulem as asas de ambos os lados, ou “bata” apenas uma asa, que é o que permite fazer curvas fechadas.
“Este trabalho é uma prova de conceito emocionante, mas tem limitações”, diz Yin. “Obviamente, os protótipos atuais são amarrados por tubos finos, que é o que usamos para bombear ar para os corpos centrais. Atualmente, estamos trabalhando para desenvolver uma versão autônoma e sem amarras.”
O artigo, “Snapping for high-speed and high-eficiente, borboleta soft swimmer”, será publicado em 18 de novembro na revista de acesso aberto Avanços da Ciência. O papel foi co-autoria de Yaoye Hong, um Ph.D. estudante na NC State; e por Yao Zhao e Yanbin Li, que são pesquisadores de pós-doutorado na NC State. O trabalho foi feito com o apoio da National Science Foundation sob os subsídios CMMI-2005374 e CMMI-2126072.
O vídeo dos bots borboleta pode ser encontrado em https://youtu.be/Pi-2pPDWC1w.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade Estadual da Carolina do Norte. Original escrito por Matt Shipman. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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