.
Engenheiros da Universidade Northwestern desenvolveram um novo dispositivo macio e flexível que faz os robôs se moverem expandindo e contraindo — exatamente como um músculo humano.
Para demonstrar seu novo dispositivo, chamado atuador, os pesquisadores o usaram para criar um robô macio cilíndrico, semelhante a um verme, e um bíceps artificial. Em experimentos, o robô macio cilíndrico navegou pelas curvas fechadas e sinuosas de um ambiente estreito, semelhante a um tubo, e o bíceps foi capaz de levantar um peso de 500 gramas 5.000 vezes seguidas sem falhar.
Como os pesquisadores imprimiram em 3D o corpo do atuador macio usando uma borracha comum, os robôs resultantes custam cerca de US$ 3 em materiais, excluindo o pequeno motor que aciona a mudança de forma do atuador. Isso contrasta fortemente com atuadores rígidos e rígidos típicos usados em robótica, que geralmente custam centenas a milhares de dólares.
O novo atuador pode ser usado para desenvolver robôs baratos, macios e flexíveis, que são mais seguros e práticos para aplicações no mundo real, disseram os pesquisadores.
A pesquisa foi publicada na segunda-feira (8 de julho) no periódico Sistemas Inteligentes Avançados.
“Roboticistas foram motivados por uma meta de longa data de tornar os robôs mais seguros”, disse Ryan Truby, da Northwestern, que liderou o estudo. “Se um robô macio atingisse uma pessoa, não doeria tanto quanto ser atingido por um robô rígido e duro. Nosso atuador poderia ser usado em robôs que são mais práticos para ambientes centrados em humanos. E, como são baratos, poderíamos potencialmente usar mais deles de maneiras que, historicamente, têm sido muito proibitivas em termos de custo.”
Truby é o June and Donald Brewer Junior Professor de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Mecânica na McCormick School of Engineering da Northwestern, onde ele dirige o Robotic Matter Lab. Taekyoung Kim, um acadêmico de pós-doutorado no laboratório de Truby e primeiro autor do artigo, liderou a pesquisa. Pranav Kaarthik, um candidato a Ph.D. em engenharia mecânica, também contribuiu para o trabalho.
Robôs que ‘se comportam e se movem como organismos vivos’
Embora atuadores rígidos tenham sido por muito tempo a pedra angular do design de robôs, sua flexibilidade, adaptabilidade e segurança limitadas levaram os roboticistas a explorar atuadores macios como uma alternativa. Para projetar atuadores macios, Truby e sua equipe se inspiram nos músculos humanos, que se contraem e enrijecem simultaneamente.
“Como você faz materiais que podem se mover como um músculo?”, Truby perguntou. “Se podemos fazer isso, então podemos fazer robôs que se comportam e se movem como organismos vivos.”
Para desenvolver o novo atuador, a equipe imprimiu em 3D estruturas cilíndricas chamadas “handed shearing auxetics” (HSAs) de borracha. Difíceis de fabricar, os HSAs incorporam uma estrutura complexa que permite movimentos e propriedades únicas. Por exemplo, quando torcidos, os HSAs se estendem e expandem. Embora Truby e Kaarthik tenham impresso em 3D estruturas HSA semelhantes para robôs no passado, eles estavam obrigados a usar impressoras caras e resinas plásticas rígidas. Como resultado, seus HSAs anteriores não podiam dobrar ou deformar facilmente.
“Para que isso funcionasse, precisávamos encontrar uma maneira de tornar os HSAs mais macios e duráveis”, disse Kim. “Descobrimos como fabricar HSAs macios, mas robustos, a partir de borracha usando uma impressora 3D de mesa mais barata e mais facilmente disponível.”
Kim imprimiu os HSAs de poliuretano termoplástico, uma borracha comum frequentemente usada em capas de celular. Embora isso tenha tornado os HSAs muito mais macios e flexíveis, um desafio permaneceu: como torcer os HSAs para fazê-los estender e expandir.
Versões anteriores de atuadores macios HSA usavam servomotores comuns para torcer os materiais em estados estendidos e expandidos. Mas os pesquisadores só alcançaram uma atuação bem-sucedida após montar dois ou quatro HSAs — cada um com seu próprio motor — juntos. Construir atuadores macios dessa forma apresentou desafios de fabricação e operacionais. Também reduziu a maciez dos atuadores HSA.
Para construir um atuador suave melhorado, os pesquisadores visaram projetar um único HSA acionado por um servo motor. Mas, primeiro, a equipe precisava encontrar uma maneira de fazer um único motor girar um único HSA.
Simplificando ‘todo o pipeline’
Para resolver esse problema, Kim adicionou um fole de borracha macio e extensível à estrutura que funcionava como um eixo deformável e giratório. Conforme o motor fornecia torque — uma ação que faz um objeto girar — o atuador se estendia. Simplesmente girar o motor em uma direção ou outra faz com que o atuador se estenda ou contraia.
“Essencialmente, Taekyoung projetou duas peças de borracha para criar movimentos semelhantes a músculos com o giro de um motor”, disse Truby. “Enquanto o campo fez atuadores macios de maneiras mais incômodas, Taekyoung simplificou muito todo o pipeline com a impressão 3D. Agora, temos um atuador macio prático que qualquer roboticista pode usar e fazer.”
O fole adicionou suporte suficiente para Kim construir um robô macio rastejante a partir de um único atuador que se movia sozinho. Os movimentos de empurrar e puxar do atuador impulsionavam o robô para frente através de um ambiente sinuoso e restrito simulando um cano.
“Nosso robô pode fazer esse movimento de extensão usando uma única estrutura”, disse Kim. “Isso torna nosso atuador mais útil porque ele pode ser universalmente integrado a todos os tipos de sistemas robóticos.”
A peça que falta: enrijecimento muscular
O robô resultante, semelhante a um verme, era compacto (medindo apenas 26 centímetros de comprimento) e rastejava — tanto para trás quanto para frente — a uma velocidade de pouco mais de 32 centímetros por minuto. Truby notou que tanto o robô quanto o bíceps artificial se tornam mais rígidos quando o atuador é totalmente estendido. Essa era mais uma propriedade que os robôs macios anteriores não conseguiam atingir.
“Como um músculo, esses atuadores macios realmente enrijecem”, disse Truby. “Se você já torceu a tampa de um pote, por exemplo, sabe que seus músculos se contraem e ficam mais rígidos para transmitir força. É assim que seus músculos ajudam seu corpo a trabalhar. Essa tem sido uma característica negligenciada na robótica macia. Muitos atuadores macios ficam mais macios quando em uso, mas nossos atuadores flexíveis ficam mais rígidos à medida que operam.”
Truby e Kim dizem que seu novo atuador representa mais um passo em direção a robôs mais bioinspirados.
“Robôs que podem se mover como organismos vivos nos permitirão pensar em robôs executando tarefas que robôs convencionais não conseguem fazer”, disse Truby.
O estudo, “Um atuador robótico flexível e arquitetado para movimento linear servoacionado”, foi apoiado pelo Prêmio Jovem Pesquisador Truby do Escritório de Pesquisa Naval e pelo Centro de Engenharia e Resiliência de Sustentabilidade da Northwestern.
.
