Engenheiros criam um sistema modular para produzir aquabots eficientes e escaláveis

Estruturas subaquáticas que podem mudar suas formas dinamicamente, como os peixes fazem, empurram a água com muito mais eficiência do que os cascos rígidos convencionais. Mas construir dispositivos deformáveis ​​que podem mudar a curva de suas formas corporais, mantendo um perfil suave, é um processo longo e difícil. O RoboTuna do MIT, por exemplo, era composto por cerca de 3.000 partes diferentes e levou cerca de dois anos para ser projetado e construído.

Agora, pesquisadores do MIT e seus colegas – incluindo um da equipe original do RoboTuna – criaram uma abordagem inovadora para a construção de robôs subaquáticos deformáveis, usando subestruturas repetitivas simples em vez de componentes únicos. A equipe demonstrou o novo sistema em duas configurações de exemplo diferentes, uma como uma enguia e a outra como um hidrofólio em forma de asa. O princípio em si, no entanto, permite variações virtualmente ilimitadas em forma e escala, dizem os pesquisadores.

O trabalho está sendo relatado hoje no jornal Robótica Suaveem um artigo do assistente de pesquisa do MIT Alfonso Parra Rubio, dos professores Michael Triantafyllou e Neil Gershenfeld e de outros seis.

Abordagens existentes para robótica leve para aplicações marítimas são geralmente feitas em pequenas escalas, enquanto muitas aplicações úteis do mundo real requerem dispositivos em escalas de metros. O novo sistema modular que os pesquisadores propõem poderia ser facilmente estendido para tais tamanhos e além, sem exigir o tipo de reequipamento e redesenho que seriam necessários para ampliar os sistemas atuais.

“A escalabilidade é um ponto forte para nós”, diz Parra Rubio. Dada a baixa densidade e alta rigidez das peças semelhantes a treliças, chamadas voxels, que compõem seu sistema, diz ele, “temos mais espaço para continuar aumentando a escala”, enquanto as tecnologias mais usadas atualmente “dependem de materiais de alta densidade voltados para problemas drásticos” na mudança para tamanhos maiores.

Os voxels individuais nos dispositivos experimentais de prova de conceito da equipe são em sua maioria estruturas ocas compostas de peças de plástico fundido com suportes estreitos em formas complexas. As formas em forma de caixa suportam carga em uma direção, mas são suaves em outras, uma combinação incomum obtida pela mistura de componentes rígidos e flexíveis em diferentes proporções.

“Tratar robótica leve versus robótica rígida é uma falsa dicotomia”, diz Parra Rubio. “Isso é algo intermediário, uma nova maneira de construir as coisas.” Gershenfeld, chefe do Centro de Bits e Átomos do MIT, acrescenta que “esta é uma terceira via que combina os melhores elementos de ambas”.

“A flexibilidade suave da superfície do corpo nos permite implementar o controle de fluxo que pode reduzir o arrasto e melhorar a eficiência propulsiva, resultando em economia substancial de combustível”, diz Triantafyllou, que é o professor Henry L. e Grace Doherty em ciência e engenharia oceânica, e foi parte da equipe RoboTuna.

Em um dos dispositivos produzidos pela equipe, os voxels são presos ponta a ponta em uma longa fileira para formar uma estrutura parecida com uma cobra de um metro de comprimento. O corpo é formado por quatro segmentos, cada um composto por cinco voxels, com um atuador no centro que pode puxar um fio preso a cada um dos dois voxels de cada lado, contraindo-os e fazendo com que a estrutura se dobre. Toda a estrutura de 20 unidades é então coberta com uma estrutura de suporte semelhante a uma nervura e, em seguida, uma pele de neoprene à prova d’água bem ajustada. Os pesquisadores implantaram a estrutura em um tanque de reboque do MIT para mostrar sua eficiência na água e demonstraram que ela era realmente capaz de gerar impulso para frente suficiente para se impulsionar para frente usando movimentos ondulantes.

“Já existiram muitos robôs parecidos com cobras antes”, diz Gershenfeld. “Mas eles geralmente são feitos de componentes sob medida, em oposição a esses blocos de construção simples que são escaláveis.”

Por exemplo, diz Parra Rubio, um robô semelhante a uma cobra construído pela NASA era composto de milhares de peças únicas, enquanto para a cobra deste grupo, “mostramos que existem cerca de 60 peças”. E comparado aos dois anos gastos projetando e construindo o MIT RoboTuna, este dispositivo foi montado em cerca de dois dias, diz ele.

O outro dispositivo que eles demonstraram é uma forma semelhante a uma asa, ou hidrofólio, composta de uma matriz dos mesmos voxels, mas capaz de alterar sua forma de perfil e, portanto, controlar a relação sustentação-arrasto e outras propriedades da asa. Essas formas semelhantes a asas podem ser usadas para uma variedade de propósitos, desde gerar energia das ondas até ajudar a melhorar a eficiência dos cascos de navios – uma demanda urgente, já que o transporte marítimo é uma fonte significativa de emissões de carbono.

A forma da asa, ao contrário da cobra, é coberta por uma série de ladrilhos sobrepostos em forma de escamas, projetados para pressionar uns aos outros para manter uma vedação à prova d’água, mesmo quando a asa muda de curvatura. Uma aplicação possível pode ser algum tipo de adição ao perfil do casco de um navio que possa reduzir a formação de redemoinhos indutores de arrasto e, assim, melhorar sua eficiência geral, uma possibilidade que a equipe está explorando com colaboradores da indústria naval.

Em última análise, o conceito pode ser aplicado a uma embarcação submersível semelhante a uma baleia, usando sua forma de corpo modificável para criar propulsão. Uma embarcação que poderia escapar do mau tempo permanecendo abaixo da superfície, mas sem o ruído e a turbulência da propulsão convencional. O conceito também pode ser aplicado a partes de outras embarcações, como iates de corrida, onde ter uma quilha ou um leme que pode se curvar suavemente durante uma curva em vez de permanecer reto pode fornecer uma vantagem extra. “Em vez de ser rígido ou apenas ter uma aba, se você pode realmente curvar da maneira que os peixes fazem, você pode se transformar na curva com muito mais eficiência”, diz Gershenfeld.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.