Garras robóticas oferecem uma combinação sem precedentes de força e delicadeza

Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte desenvolveram um dispositivo robótico de preensão que é suave o suficiente para pegar uma gota d’água, forte o suficiente para pegar um peso de 6,4 kg (14,1 libras), hábil o suficiente para dobrar um pano e preciso o suficiente para pegar. criar microfilmes 20 vezes mais finos que um fio de cabelo humano.

Além de possíveis aplicações na fabricação, os pesquisadores também integraram o dispositivo com tecnologia que permite que a pinça seja controlada pelos sinais elétricos produzidos pelos músculos do antebraço, demonstrando seu potencial para uso com próteses robóticas.

“É difícil desenvolver uma pinça única e macia que seja capaz de lidar com objetos ultramacios, ultrafinos e pesados, devido às compensações entre força, precisão e suavidade”, diz Jie Yin, autora correspondente de um artigo sobre o trabalho e associada. professor de engenharia mecânica e aeroespacial na NC State. “Nosso design alcança um excelente equilíbrio dessas características.”

O design das novas garras baseia-se em uma geração anterior de garras robóticas flexíveis que se basearam na arte do kirigami, que envolve cortar e dobrar folhas bidimensionais de material para formar formas tridimensionais.

“Nossas novas pinças também usam kirigami, mas são substancialmente diferentes, pois aprendemos muito com o design anterior”, diz Yaoye Hong, coautor do artigo e recente Ph.D. graduado pela NC State. “Conseguimos melhorar a própria estrutura fundamental, bem como a trajetória das garras – ou seja, o caminho pelo qual as garras se aproximam de um objeto ao agarrá-lo.”

O novo design é capaz de atingir altos graus de resistência e suavidade devido à forma como distribui a força por toda a estrutura da pinça.

“A força das garras robóticas é geralmente medida na relação carga/peso”, diz Yin. “Nossas garras pesam 0,4 gramas e podem levantar até 6,4 kg. Isso representa uma relação carga útil/peso de cerca de 16.000. Isso é 2,5 vezes maior que o recorde anterior de relação carga útil/peso, que era de 6.400. Combinado com seu características de suavidade e precisão, a força das garras sugere uma ampla variedade de aplicações.”

Outro benefício da nova tecnologia é que as suas características atraentes são impulsionadas principalmente pelo seu design estrutural, e não pelos materiais utilizados para fabricar as pinças.

“Em termos práticos, isso significa que você poderia fabricar as pinças com materiais biodegradáveis, como folhas resistentes de plantas”, diz Hong. “Isso pode ser particularmente útil para aplicações onde você deseja usar as garras apenas por um período limitado de tempo, como ao manusear alimentos ou materiais biomédicos. Por exemplo, demonstramos que as garras podem ser usadas para manusear materiais médicos cortantes resíduos, como agulhas.”

Os pesquisadores também integraram o dispositivo de preensão com uma mão protética mioelétrica, o que significa que a prótese é controlada pela atividade muscular.

“Essa pinça forneceu função aprimorada para tarefas que são difíceis de executar usando dispositivos protéticos existentes, como fechar certos tipos de zíperes, pegar uma moeda e assim por diante”, diz Helen Huang, co-autora do artigo e Jackson Family Distinguished Professor do Departamento Conjunto de Engenharia Biomédica da NC State e da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill.

“A nova pinça não pode substituir todas as funções das mãos protéticas existentes, mas poderia ser usada para complementar essas outras funções”, diz Huang. “E uma das vantagens das pinças kirigami é que você não precisaria substituir ou aumentar os motores existentes usados ​​em próteses robóticas. Você poderia simplesmente usar o motor existente ao utilizar as pinças.”

Em testes de prova de conceito, os pesquisadores demonstraram que as pinças de kirigami poderiam ser usadas em conjunto com a prótese mioelétrica para virar as páginas de um livro e colher uvas de uma videira.

“Acreditamos que o design da pinça tem aplicações potenciais em campos que vão desde próteses robóticas e processamento de alimentos até fabricação farmacêutica e eletrônica”, diz Yin. “Estamos ansiosos para trabalhar com parceiros da indústria para encontrar maneiras de colocar a tecnologia em uso.”

O artigo, “Trajetórias semelhantes a gavinhas programadas em ângulo permitem uma pinça multifuncional com ultradelicadeza, ultraforça e ultraprecisão”, foi publicado na revista Comunicações da Natureza.