Físicos desenvolvem robô modular com propriedades líquidas e sólidas

Cardumes de peixes, colônias de abelhas e murmúrios de estorninhos exibem comportamento de enxameação na natureza, fluindo como um líquido em coordenação sincronizada e que muda de forma. Através das lentes da mecânica dos fluidos, a enxameação é de particular interesse para físicos como Heinrich Jaeger, o Distinguished Service Professor in Physics da Universidade de Chicago Sewell Avery e o James Franck Institute, e o cientista da equipe de pesquisa do James Franck Institute Baudouin Saintyves, que aplicam princípios da física para o desenvolvimento de robótica modular e adaptativa.

A capacidade de um enxame de fluir como um líquido, agir em conjunto sem um líder e reagir ao ambiente inspirou a última criação de Saintyves e Jaeger, que eles chamam de “Granulobot”. Ele pode ser dividido, remontado e reorganizado para se adaptar ao seu ambiente. E dependendo de sua configuração, pode atuar como um sólido rígido ou como um líquido fluido.

O sistema agregado “confunde a distinção entre robótica suave, modular e de enxame”, diz a equipe.

Desenvolvido em colaboração com Matthew Spenko, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial do Instituto de Tecnologia de Illinois, em Chicago, o protótipo é descrito em artigo publicado em Robótica Científica.

Máquinas macias

O “robô granular” é uma coleção de unidades simples, cilíndricas, semelhantes a engrenagens, equipadas com dois ímãs que podem girar em torno do eixo do cilindro. Um ímã gira livremente enquanto um motor alimentado por bateria aciona o outro. Este design permite que as unidades individuais se conectem magneticamente e, uma vez acopladas, empurrem seus vizinhos e os façam girar. O contato entre cada unidade movimenta o agregado como um todo, como um enxame.

“O campo da robótica suave é particularmente interessante para aplicações onde os robôs interagem com os humanos”, diz Jaeger. “Você não quer que as pessoas se machuquem.” No entanto, a necessidade de robótica leve vai além da segurança e se estende à adequação. Um robô que pode mudar de forma pode rastejar por “cantos e recantos”, diz Jaeger, ou gerenciar terrenos incertos – ambos úteis para busca e resgate, por exemplo.

Para que um robô mude de forma e execute diferentes funções, sua capacidade de flutuar entre rígido e suave de forma previsível e reversível é fundamental. Os materiais granulares possuem propriedades inerentes que tornam possível esta transformação. Esta classe de materiais pode transitar entre o comportamento líquido e sólido com base no contato e não na temperatura.

Essa transição é causada por um fenómeno chamado bloqueio, que acontece quando as partículas num sistema desordenado e caótico estão tão próximas umas das outras que se empurram umas contra as outras e o seu fluxo é interrompido. Jaeger – um físico da matéria condensada – descreve a condução em uma rodovia: Às vezes você está viajando, mas às vezes você bate em carros e o trânsito para. Quando isso acontece em um material granular, diz Jaeger, “é essencialmente um grande engarrafamento”.

O congestionamento pode ser visto em ação com um bloco de café selado a vácuo: rompa o selo e o pó de café pode vazar. O café moído funciona tão bem nesse aspecto que Jaeger o usou para criar uma pinça robótica macia que pode agarrar e segurar objetos independentemente de seu formato.

Um cilindro Granulobot é muito maior que uma borra de café, mas o princípio é o mesmo. “O bloqueio é a base para que o Granulobot seja capaz de fazer a transição de um comportamento maleável e mais líquido”, diz Jaeger, “para algo muito mais parecido com um sólido”.

Escalabilidade

O Granulobot foi projetado para demonstrar a abordagem modular e auto-organizada da equipe, mas no futuro, talvez os módulos possam ser extremamente pequenos – milhares de unidades tão pequenas que o grupo parece ser uma massa singular, observa Jaeger. “Outra direção que poderia ser muito divertida de se pensar é torná-los muito, muito maiores.”

A física muitas vezes depende de condições específicas, diz Jaeger – extremamente pequenas, quentes ou frias. “Muitos dos meus colegas devem trabalhar em determinados ambientes, caso contrário toda a sua física não funcionará. O mesmo pode ser dito da vida.”

No entanto, os princípios físicos que sustentam o Granulobot não estão vinculados à escala ou à temperatura. “Eles poderiam trabalhar debaixo d’água; poderiam trabalhar no espaço sideral”, diz Jaeger.

O Granulobot promete avanços emocionantes na robótica, mas Saintyves e Jaeger são físicos. Eles estão usando essa pesquisa também para encontrar novas maneiras de pensar sobre a matéria.

“Dependendo da autocoordenação e da transferência de energia ao redor do ambiente, seu sistema será um material programável ou um robô autônomo. Isso é um continuum”, diz Saintyves. Mas “estamos confundindo a fronteira entre a matéria e a robótica”. Dentro de uma abordagem clássica de matéria programável, o material é uma máquina; “Aqui estamos explorando a ideia de que a máquina é um material.”