Músculos artificiais macios desenvolvidos para movimento de robôs

Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram recentemente músculos artificiais para o movimento de robôs. A solução oferece diversas vantagens em relação às tecnologias anteriores: pode ser usada sempre que os robôs precisarem ser macios em vez de rígidos ou onde precisarem de mais sensibilidade ao interagir com o ambiente.

Muitos roboticistas sonham em construir robôs que não sejam apenas uma combinação de metal ou outros materiais duros e motores, mas que também sejam mais macios e adaptáveis.

Os robôs soft poderiam interagir com seu ambiente de uma maneira completamente diferente; por exemplo, eles poderiam amortecer impactos da mesma forma que os membros humanos ou agarrar um objeto com delicadeza. Isto também traria benefícios em relação ao consumo de energia; o movimento do robô hoje em dia geralmente requer muita energia para manter uma posição, enquanto os sistemas flexíveis também poderiam armazenar bem a energia. Então, o que poderia ser mais óbvio do que tomar o músculo humano como modelo e tentar recriá-lo?

O funcionamento dos músculos artificiais é, portanto, baseado na biologia. Tal como os seus homólogos naturais, os músculos artificiais contraem-se em resposta a um impulso eléctrico. Entretanto, os músculos artificiais não consistem em células e fibras, mas em uma bolsa cheia de um líquido (geralmente óleo), cuja concha é parcialmente coberta por eletrodos.

Quando esses eletrodos recebem uma voltagem elétrica, eles se aproximam e empurram o líquido para o restante da bolsa, que flexiona e é capaz de levantar um peso. Uma única bolsa é análoga a um pequeno feixe de fibras musculares; vários deles podem ser conectados para formar um elemento de propulsão completo, que também é chamado de atuador ou simplesmente de músculo artificial.

Tensão muito alta

A ideia de desenvolver músculos artificiais não é nova, mas até agora houve um grande obstáculo para sua concretização: os atuadores eletrostáticos funcionavam apenas com tensões extremamente altas, em torno de 6.000 a 10.000 volts. Este requisito teve diversas ramificações; por exemplo, os músculos tiveram que ser conectados a amplificadores grandes e de alta voltagem; eles não trabalhavam na água; e eles não eram totalmente seguros para os humanos.

Uma nova solução foi desenvolvida por Robert Katzschmann, professor de robótica na ETH Zurich, juntamente com Stephan-Daniel Gravert, Elia Varini e outros colegas. Eles publicaram sua versão de um músculo artificial que oferece diversas vantagens em Avanços da Ciência.

Gravert, que trabalha como assistente científico no laboratório de Katzschmann, projetou uma concha para a bolsa. Os pesquisadores chamam os novos músculos artificiais de atuadores HALVE, onde HALVE significa “eletrostático de baixa tensão amplificado hidraulicamente”.

“Em outros atuadores, os eletrodos ficam do lado de fora do invólucro. No nosso, o invólucro consiste em diferentes camadas. Pegamos um material ferroelétrico de alta permissividade, ou seja, um que pode armazenar quantidades relativamente grandes de energia elétrica, e o combinamos com uma camada de eletrodos. Em seguida, revestimos com um invólucro de polímero que possui excelentes propriedades mecânicas e torna a bolsa mais estável”, explica Gravert.

Isso significou que os pesquisadores poderiam reduzir a tensão necessária, porque a permissividade muito maior do material ferroelétrico permite grandes forças apesar da baixa tensão. Gravert e Varini não apenas desenvolveram juntos o invólucro para os atuadores HALVE, mas também construíram os próprios atuadores no laboratório para uso em dois robôs.

Garras e peixes mostram o que o músculo pode fazer

Um desses exemplos robóticos é uma pinça de 11 centímetros de altura com dois dedos. Cada dedo é movido por três bolsas conectadas em série do atuador HALVE. Uma pequena fonte de alimentação alimentada por bateria fornece 900 volts ao robô.

Juntas, a bateria e a fonte de alimentação pesam apenas 15 gramas. Toda a garra, incluindo a eletrônica de potência e controle, pesa 45 gramas. A pinça pode segurar um objeto de plástico liso com firmeza suficiente para suportar seu próprio peso quando o objeto é levantado no ar com uma corda.

“Este exemplo demonstra de forma excelente como os atuadores HALVE são pequenos, leves e eficientes. Também significa que demos um grande passo em direção ao nosso objetivo de criar sistemas integrados operados por músculos”, diz Katzschmann com satisfação.

O segundo objeto é um nadador parecido com um peixe, com quase 30 centímetros de comprimento, que pode se mover suavemente na água. Consiste em uma “cabeça” contendo a eletrônica e um “corpo” flexível ao qual os atuadores HALVE são fixados. Esses atuadores se movem alternadamente em um ritmo que produz o movimento de natação. O peixe autônomo pode passar da paralisação a uma velocidade de três centímetros por segundo em 14 segundos – e isso na água normal da torneira.

Impermeável e autovedante

Este segundo exemplo é importante porque demonstra outro novo recurso dos atuadores HALVE: como os eletrodos não ficam mais desprotegidos fora do invólucro, os músculos artificiais agora são à prova d’água e também podem ser usados ​​em líquidos condutores.

“O peixe ilustra uma vantagem geral desses atuadores: os eletrodos são protegidos do ambiente e, inversamente, o ambiente é protegido dos eletrodos. Assim, você pode operar esses atuadores eletrostáticos na água ou tocá-los, por exemplo”, explica Katzschmann. . A estrutura em camadas das bolsas tem outra vantagem: os novos atuadores são muito mais robustos do que outros músculos artificiais.

Idealmente, as bolsas devem ser capazes de realizar uma grande quantidade de movimento e fazê-lo rapidamente. No entanto, mesmo o menor erro de produção, como uma partícula de poeira entre os eletrodos, pode levar a uma pane elétrica – uma espécie de mini raio.

“Quando isso acontecia nos modelos anteriores, o eletrodo queimava, criando um buraco na carcaça. Isso permitia que o líquido escapasse e inutilizava o atuador”, diz Gravert.

Este problema é resolvido nos atuadores HALVE porque um único furo se fecha essencialmente devido à camada externa plástica protetora. Como resultado, a bolsa geralmente permanece totalmente funcional mesmo após uma pane elétrica.

Os dois investigadores estão claramente satisfeitos por terem dado um passo decisivo no desenvolvimento dos músculos artificiais, mas também são realistas.

Como diz Katzschmann: “Agora temos que preparar esta tecnologia para produção em larga escala, e não podemos fazer isso aqui no laboratório ETH. Sem revelar muito, posso dizer que já estamos registrando interesse de empresas que gostaria de trabalhar conosco.”

Por exemplo, músculos artificiais poderão um dia ser usados ​​em novos robôs, próteses ou wearables; em outras palavras, em tecnologias usadas no corpo humano.