‘Energia incorporada’ alimenta robôs modulares de vermes e águas-vivas

Da mesma forma que a vida terrestre evoluiu de nadadores oceânicos para caminhantes terrestres, os robôs leves também estão progredindo, graças à pesquisa recente da Cornell no desenvolvimento e design de baterias.

Um robô verme modular construído pelo Organic Robotics Lab e uma água-viva que foi uma colaboração com o Archer Group, ambos na Cornell Engineering, demonstram os benefícios da “energia incorporada” – uma abordagem que incorpora fontes de energia no corpo de uma máquina, para reduzir seu peso e custo.

O verme e a água-viva são descendentes diretos de um robô macio aquoso, inspirado em um peixe-leão e revelado em 2019, que poderia armazenar energia e alimentar suas aplicações por meio de um fluido hidráulico circulante – ou seja, “sangue de robô”. Sangue semelhante sustenta a nova espécie, mas com um design melhorado para maior capacidade de bateria e densidade de energia.

“A água-viva tem muito mais capacidade para suportar o seu peso, por isso a duração que pode viajar é ainda maior do que a do peixe”, disse Rob Shepherd, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, que liderou ambos os projetos. “O verme é a primeira versão que fizemos acima do solo. Quando está debaixo d’água, você fica apoiado de forma flutuante, então não precisa de um esqueleto. Ele não precisa ser rígido.

“Foi assim que a vida na terra evoluiu”, disse ele. “Você começa com o peixe, depois obtém um organismo simples e ele é sustentado pelo solo. O verme é o organismo simples, mas tem mais graus de liberdade.”

O coração batendo e o bombeamento do sangue de ambos os robôs é o que chamamos de bateria de fluxo redox (RFB), na qual os fluidos eletrolíticos se dissolvem e liberam energia por meio de uma reação química de redução e oxidação, ou redox.

Para o robô em formato de água-viva, os dois grupos de pesquisa construíram um RFB com um tendão que, ao ser puxado, muda o formato do sino e impulsiona a criatura para cima. Quando o sino relaxa, ele afunda novamente. A verdadeira inovação, segundo Shepherd, são as melhorias nas baterias feitas pela equipe liderada por Lynden Archer, Distinguido Professor de Engenharia da Família James A. Friend e reitor da Cornell Engineering.

O robô possui um par de baterias redox: iodeto de zinco (ZnI₂) e brometo de zinco (ZnBr₂). Para evitar o acúmulo de dendritos nos substratos elétricos das baterias, que podem impedir o carregamento e o descarregamento, os pesquisadores aplicaram grafeno para combinar melhor com os planos do cristal e permitir um revestimento mais uniforme do zinco.

Na bateria de ZnBr, o bromo foi adicionado ao iodo para melhorar o transporte de íons. Essas mudanças aumentaram a capacidade da bateria e a densidade de energia, tornando o robô água-viva mais rápido e ágil, com vida útil operacional de cerca de 90 minutos.

A principal inovação do robô worm foi o seu design compartimentado. O corpo do verme é uma série de vagens interconectadas, cada uma contendo um motor e um atuador de tendão para que o verme possa comprimir e expandir sua forma, bem como uma pilha de bolsas de anólito imersas em católito.

Uma parte crucial do projeto foi a decisão do pesquisador de pós-doutorado Chong-Chan Kim, principal autor do estudo, de usar um método de adesão a seco para ligar automaticamente os separadores Nafion ao corpo de silicone-uretano do verme à medida que era impresso. O separador mantém os anólitos e os católitos separados enquanto permite que uma carga se mova entre eles, o que então conduz os elétrons através do motor.

“Existem muitos robôs movidos hidraulicamente e somos os primeiros a usar fluido hidráulico como bateria, o que reduz o peso total do robô, porque a bateria tem duas finalidades: fornecer energia para o sistema e fornecer a força para fazê-lo se mover”, disse Shepherd. “Então você pode ter coisas como um verme, onde é quase toda energia, para que possa viajar por longas distâncias.”

Os pesquisadores testaram dois modos de movimento. O verme pode avançar lentamente pelo solo, com cada vagem se contraindo e empurrando-se para frente; o verme também pode subir e descer um tubo vertical como uma lagarta, uma técnica conhecida como rastreamento de duas âncoras.

O robô não é exatamente rápido – levaria 35 horas para percorrer 105 metros com uma única carga – mas é mais rápido do que outros robôs vermes movidos hidraulicamente. Quanto às aplicações potenciais, o sem-fim é particularmente adequado para explorar passagens longas e estreitas, como tubulações, e possivelmente realizar reparos.

Da mesma forma, o robô água-viva seria uma ferramenta ideal de baixo custo para a exploração oceânica porque pode ser transportado pela corrente e depois nadar até a superfície para enviar e receber comunicações, antes de afundar novamente.

No futuro, Shepherd prevê fabricar robôs de alta capacidade com energia incorporada, com o mesmo tipo de baterias de polímero de lítio, mas que também tenham esqueletos e possam andar.

O resultado será algo mais “como nós”, disse ele. “Um organismo imperfeito. Mas ainda indo muito bem.”

Anunth Ramaswami ’25 foi coautor do estudo do robô verme publicado em Materiais Avançados..

O principal autor do estudo das águas-vivas, publicado em 27 de novembro em Avanços da Ciênciafoi Xu Liu, Ph.D. ’24. Os coautores incluíram Archer; Yong L. Joo, BP Amoco/H. Laurance Fuller Professor na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (Cornell Engineering); Shuo Jin, Ph.D. ’20; estudante de doutorado Yiqi Shao; Outono Pratt, Ph.D. ’21; Duhan Zhang, Ph.D. ’18; Kiki Lo ’22; e Amir Gat e Sofia Kuperman do Instituto de Tecnologia Technion-Israel.