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Imagine uma rede de robôs autônomos interconectados trabalhando juntos em uma dança coordenada para navegar pelos arredores escuros do oceano enquanto realizam pesquisas científicas ou missões de busca e resgate.
Em um novo estudo publicado na Relatórios Científicos, uma equipe liderada por pesquisadores da Brown University apresentou os primeiros passos importantes na construção desses tipos de robôs de navegação subaquática. No estudo, os pesquisadores descrevem o projeto de uma pequena plataforma robótica chamada Pleobot, que pode servir como ferramenta para ajudar os pesquisadores a entender o método de natação semelhante ao krill e como base para a construção de robôs subaquáticos pequenos e altamente manobráveis.
Atualmente, o Pleobot é feito de três seções articuladas que reproduzem a natação semelhante ao krill, chamada natação metacronal. Para projetar o Pleobot, os pesquisadores se inspiraram no krill, que são notáveis atletas aquáticos e exibem maestria em nadar, acelerar, frear e virar. Eles demonstram no estudo a capacidade do Pleobot de emular as pernas do krill nadador e fornecer novas informações sobre as interações fluido-estrutura necessárias para sustentar a natação constante do krill.
De acordo com o estudo, o Pleobot tem o potencial de permitir que a comunidade científica entenda como aproveitar 100 milhões de anos de evolução para projetar robôs melhores para navegação oceânica.
“Experimentos com organismos são desafiadores e imprevisíveis”, disse Sara Oliveira Santos, Ph.D. candidato na Brown’s School of Engineering e principal autor do novo estudo. “O Pleobot nos permite resolução e controle incomparáveis para investigar todos os aspectos da natação semelhante ao krill que o ajudam a se destacar nas manobras subaquáticas. Nosso objetivo era projetar uma ferramenta abrangente para entender a natação semelhante ao krill, o que significava incluir todos os detalhes que tornam o krill tais nadadores atléticos.”
O esforço é uma colaboração entre pesquisadores de Brown no laboratório da professora assistente de engenharia Monica Martinez Wilhelmus e cientistas do laboratório de Francisco Cuenca-Jimenez na Universidad Nacional Autónoma de México.
Um dos principais objetivos do projeto é entender como nadadores metacrônicos, como o krill, conseguem funcionar em ambientes marinhos complexos e realizar migrações verticais massivas de mais de 1.000 metros – o equivalente a empilhar três Empire State Buildings – duas vezes ao dia.
“Temos instantâneos dos mecanismos que eles usam para nadar com eficiência, mas não temos dados abrangentes”, disse Nils Tack, um associado de pós-doutorado no laboratório Wilhelmus. “Construímos e programamos um robô que emula com precisão os movimentos essenciais das pernas para produzir movimentos específicos e alterar a forma dos apêndices. Isso nos permite estudar diferentes configurações para fazer medições e fazer comparações que de outra forma não seriam obtidas com animais vivos.”
A técnica de nado metacronal pode levar a uma manobrabilidade notável que o krill frequentemente exibe por meio da implantação sequencial de suas pernas nadadoras em um movimento semelhante a uma onda de trás para a frente. Os pesquisadores acreditam que, no futuro, os sistemas de enxames implantáveis podem ser usados para mapear os oceanos da Terra, participar de missões de busca e recuperação cobrindo grandes áreas ou ser enviados para luas no sistema solar, como Europa, para explorar seus oceanos. .
“As agregações de krill são um excelente exemplo de enxames na natureza: são compostos de organismos com corpo aerodinâmico, viajando até um quilômetro em cada direção, com excelente manobrabilidade subaquática”, disse Wilhelmus. “Este estudo é o ponto de partida de nosso objetivo de pesquisa de longo prazo de desenvolver a próxima geração de veículos autônomos de detecção subaquática. Ser capaz de entender as interações fluido-estrutura no nível do apêndice nos permitirá tomar decisões informadas sobre projetos futuros.”
Os pesquisadores podem controlar ativamente os segmentos de duas pernas e ter controle passivo das barbatanas birremessas do Pleobot. Acredita-se que esta seja a primeira plataforma que reproduz o movimento de abertura e fechamento dessas aletas. A construção da plataforma robótica foi um projeto plurianual, envolvendo uma equipa multidisciplinar em mecânica dos fluidos, biologia e mecatrónica.
Os pesquisadores construíram seu modelo em 10 vezes a escala do krill, que geralmente tem o tamanho de um clipe de papel. A plataforma é feita principalmente de peças imprimíveis em 3D e o design é de acesso aberto, permitindo que outras equipes usem o Pleobot para continuar respondendo a perguntas sobre natação metacronal não apenas para krill, mas para outros organismos como lagostas.
No estudo publicado, o grupo revela a resposta para um dos muitos mecanismos desconhecidos da natação do krill: como eles geram sustentação para não afundar enquanto nadam para a frente. Se o krill não estiver nadando constantemente, eles começarão a afundar porque são um pouco mais pesados que a água. Para evitar isso, eles ainda precisam criar alguma sustentação mesmo nadando para a frente para poder permanecer na mesma altura na água, disse Oliveira Santos.
“Conseguimos descobrir esse mecanismo usando o robô”, disse Yunxing Su, um associado de pós-doutorado no laboratório. “Identificamos um efeito importante de uma região de baixa pressão na parte de trás das pernas de natação que contribui para o aumento da força de sustentação durante a braçada de força das pernas em movimento”.
Nos próximos anos, os pesquisadores esperam aproveitar esse sucesso inicial e desenvolver e testar os projetos apresentados no artigo. A equipe está atualmente trabalhando para integrar características morfológicas do camarão na plataforma robótica, como flexibilidade e cerdas ao redor dos apêndices.
O trabalho foi parcialmente financiado pela NASA Rhode Island EPSCoR Seed Grant.
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