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Construir um robô é difícil. Construir um que possa sentir seu ambiente e aprender a se locomover por conta própria é ainda mais difícil.
Mas os engenheiros da UCLA assumiram um desafio ainda maior. Eles não apenas criaram robôs autônomos, como os imprimiram em 3D em uma única etapa.
Cada robô é do tamanho da ponta de um dedo. Seus corpos se assemelham a uma esteira de bambu dobrada em forma de N, e eles deslizam a velocidades de até 25 pés por minuto.
O que tornou o feito possível foi a invenção de um novo tipo de material multifuncional capaz de dobrar, torcer, flexionar e esticar.
“Os robôs tradicionais que você vê hoje dependem de vários componentes diferentes”, disse Rayne Zheng, engenheiro mecânico e líder do projeto. O corpo do robô, suas partes móveis e seus componentes eletrônicos devem ser construídos separadamente e depois montados juntos. “Com materiais impressos em 3D que podem ser robotizados, não precisamos de nada disso.”
O avanço, descrito no mês passado na revista Science, abre caminho para invenções que vão desde robôs de resgate ágeis capazes de navegar em espaços apertados até próteses responsivas com menos peças que podem quebrar.
Pesquisadores da UCLA desenvolveram materiais que permitem que pequenos robôs se tornem autônomos após receberem comandos básicos.
“Muitas vezes, a impressão 3-D é usada como uma novidade para gerar hype, mas não é o caso aqui”, disse Ryan Sochol, engenheiro de robótica da Universidade de Maryland que não esteve envolvido no estudo. .
Robert MacCurdy, que projeta robôs automatizados na University of Colorado Boulder, chamou o trabalho da UCLA de “uma verdadeira inovação na tecnologia de impressão 3D”. Ele disse que a impressão de um material móvel que muda de forma com componentes eletrônicos embutidos e recursos de sensoriamento remoto não foi alcançado antes e prenuncia “a produção de robôs no futuro”.
Zheng e seus colegas embarcaram no projeto há três anos para ver se poderiam usar a impressão 3-D para construir um material capaz de detectar seu ambiente – para medir a temperatura ao redor, por exemplo, e perceber se foi atingido ou esmagado .
Uma vez que eles atingiram esse objetivo, eles adicionaram outro. “Começamos a pensar, além de sentir, por que não fazê-lo se mover?” disse Zheng.
E eles ainda queriam fazer tudo em um único passo.
As impressoras 3D comuns funcionam como uma máquina que adiciona cobertura a um bolo. Eles constroem finas camadas de plástico, metal, vidro ou outros materiais para produzir uma lista interminável de produtos como joias, ferramentas, próteses e até pizza. Mas eles só podem imprimir um componente de cada vez.
Para imprimir um robô inteiro de uma só vez, Zheng e seus colegas precisavam de um material versátil. Então eles criaram um de carboneto de silício, que suporta a estrutura dos robôs; eletrodos de cobre e ouro, que conduzem corrente; e cerâmicas piezoelétricas, que mudam de forma em resposta a um campo elétrico.
Cada parte contribui para um novo “metamaterial” que pode dobrar e flexionar, esticar e apertar, torcer e girar, disse Huachen Cui, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Zheng que liderou seu desenvolvimento. E o metamaterial pode ser impresso em 3D de uma só vez.
O novo material exigia uma impressora 3-D personalizada, então a equipe construiu uma que ocupa o espaço de uma mesa de escritório. A maneira como funciona é semelhante a congelar um desenho em um copo de água e drenar o resto, deixando para trás uma intrincada escultura de gelo. Mas, em vez de água, a impressora alterna entre cubas dos três ingredientes e, em seguida, usa luz ultravioleta para solidificar cada camada da estrutura do metamaterial à medida que o robô toma forma.
Um close-up da treliça impressa em 3D que forma a base dos robôs. Os elementos intrincados são projetados para dobrar, flexionar, torcer, girar, expandir ou contrair em altas velocidades.
(Rayne Research Group/UCLA)
O resultado é basicamente como um músculo. “Ele tem tudo integrado, desde componentes estruturais, componentes de detecção, até movimento e controle eletrônico”, disse Zheng.
Em outras palavras, disse MacCurdy, é um objeto verdadeiramente funcional: “Quando sai da impressora 3-D, não requer montagem adicional”.
Cui colocou um robô à prova, colocando-o em uma mesa entre um par de tubos. Um conjunto de fios prendia o robô a uma fonte de energia. Quando a energia foi ligada, o robô ganhou vida com um clarão verde brilhante atípico acompanhado por fios de fumaça. Mas logo estava se movendo com o zumbido suave de um barbeador elétrico.
As três partes de seu corpo em forma de N formam um músculo que flexiona mais rápido do que o olho pode discernir, impulsionando-o para frente com facilidade. Ele pode até saltar sobre pequenos obstáculos de cerca de 1 milímetro de altura.
O design foi inspirado na natureza.
“Eu queria torná-lo ágil e muito rápido – a primeira coisa que eu conseguia pensar era em um leopardo”, disse Cui, que foi o principal autor do estudo. “Você só precisa bater no chão e seguir em frente. É isso.”
Os robôs contam com ultra-som para sentir seus arredores, como morcegos. Mas, em vez de usar a ecolocalização, as máquinas empregam um sensor remoto impresso em 3D que emite pulsos de radar em várias direções. A maneira como eles se recuperam alerta o robô para obstáculos em seu caminho para que ele possa se ajustar de acordo.
As máquinas, que são pequenas o suficiente para caber em um centavo, podem carregar mais de 13 vezes seu próprio peso. Quando Cui soltou um parafuso em uma cesta afixada no topo do robô, ele sacudiu e começou a se mover mais rápido. O impacto, destinado a imitar a queda de detritos, foi a deixa para uma fuga rápida, disse ele.
Zheng disse que não seria difícil tornar os robôs maiores – tudo o que eles precisam é de uma impressora 3D maior. O verdadeiro desafio é tornar os robôs menores e capazes de operar na água.
Isso é algo que excita Sochol.
“Acho que as aplicações biomédicas, particularmente a entrega de medicamentos, são uma aplicação em que isso pode realmente ter um uso legítimo”, disse ele. Ele imaginou um cenário em que um pequeno robô carrega uma dose de medicamento para um local específico em um vaso sanguíneo. Uma vez posicionado, os médicos podem “atingi-lo com um campo elétrico” para que ele libere sua carga útil.
O laboratório de Zheng já está equipado com um pequeno tanque no chão para testar uma futura geração de robôs aquáticos. Se um leopardo inspirou a versão original, os novos serão projetados para imitar as habilidades de natação e rastejamento dos camarões.
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