Robôs macios aproveitam fluidos viscosos para movimentos complexos

Uma das virtudes dos robôs macios sem amarras é sua capacidade de se adaptar mecanicamente ao ambiente e às tarefas, tornando-os ideais para uma variedade de funções, desde apertar parafusos em uma fábrica até conduzir a exploração em alto mar. Agora eles estão prestes a se tornar ainda mais ágeis e controlados.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Kirstin Petersen, professora assistente de engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia, projetou um novo – e surpreendentemente simples – sistema de atuadores acionados por fluidos que permitem que robôs macios realizem movimentos mais complexos. Os pesquisadores conseguiram isso tirando proveito da mesma coisa – viscosidade – que anteriormente bloqueava o movimento de tais robôs.

O artigo da equipe, “Harnessing Nonuniform Pressure Distributions in Soft Robotic Actuators”, publicado em 20 de janeiro em Sistemas Inteligentes Avançados. O principal autor do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Yoav Matia.

O Laboratório de Inteligência Corporificada Coletiva de Petersen tem explorado maneiras de levar as capacidades e comportamentos cognitivos de um robô e descarregá-los do “cérebro” para o corpo, por meio dos reflexos mecânicos do robô e da capacidade de alavancar seu ambiente. Ao reduzir a necessidade de computação explícita, o robô pode se tornar mais simples, mais robusto e mais barato de fabricar.

“Os robôs macios têm uma estrutura muito simples, mas podem ter uma funcionalidade muito mais flexível do que seus primos rígidos. Eles são uma espécie de robô inteligente incorporado definitivo”, disse Petersen. “A maioria dos robôs macios hoje em dia são acionados por fluidos. No passado, a maioria das pessoas pensava em como poderíamos obter um retorno extra com nosso dinheiro incorporando funcionalidade ao material do robô, como o elastômero. Em vez disso, nos perguntamos como poderíamos fazer mais com menos, utilizando como o fluido interage com esse material.”

Tradicionalmente, o atuador acionado por fluido de um robô macio – ou seja, a parte que se move, como um membro – funciona quando o fluido pressurizado uniformemente flui através de uma bexiga de elastômero ou fole. Isso força o atuador, que foi projetado mecanicamente para dobrar em uma direção predeterminada, a se mover conforme indicado. O principal ponto de discórdia é se o fluxo interno do atuador for viscoso, a pressão equalizar de forma diferente, fazendo com que o movimento do atuador se torne lento e o robô desacelere.

A equipe de Petersen partiu de um modelo semelhante, exceto que eles conectaram uma série de foles de elastômero com tubos finos, correndo em um par de colunas paralelas, tudo em um sistema fechado. Essa configuração permite movimentos antagônicos – um que puxa e outro que empurra. Os minúsculos tubos induzem viscosidade, o que faz com que a pressão seja distribuída de forma desigual, dobrando o atuador em diferentes contorções e padrões de movimento. Isso normalmente seria um problema, mas a equipe encontrou uma maneira inteligente de tirar proveito disso.

Matia desenvolveu um modelo descritivo completo que pode prever os possíveis movimentos do atuador e antecipar como diferentes pressões de entrada, geometrias e configurações de tubo e fole os atingem – tudo com uma única entrada de fluido. Isso resulta em um atuador que pode realizar movimentos muito mais complexos, mas sem as múltiplas entradas e o complexo controle de feedback que os métodos anteriores exigiam.

“O papel dos materiais estruturais inertes de hoje será muito diferente em nossas futuras máquinas”, disse Matia. “Reside na incorporação de agência e computação em materiais – orgânicos para o material, o processo de fabricação e o fenômeno físico que governa o sistema – permitindo que eles atuem independentemente por meio de mecanismos físicos e arquitetura interna. Este trabalho representa uma nova estrutura escalável para manifestar o controle de o material pelo material, onde a matéria estrutural inerte age por conta própria.”

Para demonstrar a tecnologia, a equipe construiu um robô macio de seis pernas, com duas bombas de seringa no topo, que anda a 0,05 comprimento do corpo por segundo e também se agacha. Mas essas são apenas o começo das permutações possíveis.

“Detalhamos todo o conjunto de métodos pelos quais você pode projetar esses atuadores para aplicações futuras”, disse Petersen. “Por exemplo, quando os atuadores são usados ​​como pernas, mostramos que apenas cruzando um conjunto de tubos, você pode passar de uma marcha de avestruz, que tem uma postura realmente ampla, para um trote de elefante”.

O novo atuador acionado por fluido pode ser usado para diferentes tipos de dispositivos, como braços de robôs, e Petersen está interessado em explorar como a colocação de foles em configurações 3D resultará em padrões de movimento ainda mais úteis.

“Este é basicamente um novo subcampo da robótica leve”, disse ela. “Explorar esse espaço será superinteressante.”