Robô de elefante demonstra tecnologia de impressão 3D bioinspirada

O poderoso sprint de uma chita, o solto de uma cobra desliza ou a compreensão hábil de um humano: cada um é possível pela interação perfeita entre tecidos suaves e rígidos. Músculos, tendões, ligamentos e ossos trabalham juntos para fornecer energia, precisão e amplitude de movimento necessárias para executar os movimentos complexos observados em todo o reino animal.

Replicar essa diversidade musculoesquelética na robótica é extremamente desafiadora. Até agora, a impressão 3D usando vários materiais tem sido uma maneira de criar robôs rígidos suaves e, embora essa abordagem possa imitar a diversidade de tecidos biológicos, isso significa que propriedades-chave como rigidez ou força de carga não podem ser controladas continuamente através de uma estrutura robótica.

Agora, uma equipe liderada por Josie Hughes no Laboratório de Design e Fabricação de Robôs Computacionais (Create) na Escola de Engenharia da EPFL desenvolveu uma estrutura de treliça inovadora que combina a diversidade de tecidos biológicos com controle e precisão robóticos. A treliça, feita de um material simples de espuma, é composta por unidades individuais (células) que podem ser programadas para ter formas e posições diferentes. Essas células podem assumir mais de um milhão de configurações diferentes e até ser combinadas para produzir variações geométricas infinitas.

“Utilizamos nossa técnica de treliça programável para construir um robô de elefante de inspiração musculoesquelética com um tronco macio que pode torcer, dobrar e girar, além de articulações mais rígidas de quadril, joelho e pé”, diz o pesquisador de pós-doutorado Qinghua Guan. “Isso mostra que nosso método oferece uma solução escalável para projetar robôs sem precedentes e leves e adaptáveis”.

A pesquisa é publicada em Avanços científicos.

Duas dimensões de programação; Variações geométricas infinitas

A rede programável da equipe pode ser impressa usando dois tipos de células principais com geometrias diferentes: a célula cúbica centrada no corpo (BCC) e o X-cubo. Quando cada tipo de célula é usado para impressão em 3D, um “tecido” robótico, a rede resultante tem rigidez, deformação e propriedades de porte de carga diferentes. Mas o método do Create Lab também lhes permite imprimir redes de células híbridas cuja forma está em qualquer lugar do espectro entre o BCC e o X-Cube.

“Essa abordagem permite a mistura espacial contínua dos perfis de rigidez e permite uma gama infinita de células unitárias combinadas. É particularmente adequado para replicar a estrutura de órgãos musculares como um tronco de elefante”, diz Ph.D. Aluno Benhui Dai.

Além de modular a forma de cada célula, os cientistas também podem programar sua posição dentro da treliça. Essa segunda dimensão de programação permite que eles girem e deslocem (traduza) cada célula ao longo de seu eixo. As células podem até ser sobrepostas umas sobre as outras para criar combinações celulares totalmente novas, dando à rede resultante uma gama ainda mais ampla de propriedades mecânicas. Para dar uma idéia da enorme escala de possíveis variações, um cubo de treliça com quatro células sobrepostas pode produzir cerca de 4 milhões de configurações possíveis, com mais de 75 milhões de configurações para cinco células.

Impermeável e pronto para o sensor

Para o seu modelo de elefante, essa capacidade de programação dupla permitiu a fabricação de vários tipos de tecidos diferentes com faixas de movimento exclusivas, incluindo uma articulação plana deslizante (encontrada nos ossos pequenos do pé), uma articulação uniaxial flexível (encontrada no joelho) e uma articulação biaxial dobrada (encontrada nas pazes).

A equipe foi capaz de replicar o movimento complexo do tronco muscular de um elefante, engenharia seções de treliça separadas dedicadas a movimentos de torção, flexão e rotação, mantendo transições suaves e contínuas entre eles.

Hughes diz que, além de modificar o material de espuma ou incorporar novas formas celulares, sua estrutura de tecnologia de treliça de espuma única oferece muitas possibilidades emocionantes para futuras pesquisas de robótica.

“Como o favo de mel, a relação força / peso da treliça pode ser muito alta, permitindo robôs muito leves e eficientes. A estrutura de espuma aberta é adequada para movimento em fluidos e até oferece o potencial de incluir outros materiais, como sensores, dentro da estrutura para fornecer mais inteligência sobre espumas”.