Robôs ‘sem cérebro’ que se movem em sincronia são movidos inteiramente por ar

Uma equipe liderada pela Universidade de Oxford desenvolveu uma nova classe de robôs leves que operam sem componentes eletrônicos, motores ou computadores – usando apenas pressão de ar. O estudo, publicado em Materiais Avançadosmostra que esses “robôs fluídicos” podem gerar movimentos complexos e rítmicos e até sincronizar automaticamente suas ações.

O professor Antonio Forte (Departamento de Ciências da Engenharia, Universidade de Oxford, líder do RADLab) disse: “Estamos entusiasmados em ver que máquinas sem cérebro podem gerar espontaneamente comportamentos complexos, descentralizando tarefas funcionais para as periferias e liberando recursos para tarefas mais inteligentes.”

Superando um desafio importante na robótica suave

Robôs macios (feitos de materiais flexíveis) são ideais para tarefas como navegar em terrenos irregulares ou manusear objetos delicados. Um dos principais objetivos da robótica suave é codificar o comportamento e a tomada de decisões diretamente na estrutura física do robô, permitindo máquinas mais adaptáveis ​​e responsivas.

Este tipo de comportamento automático – que emerge das interações corpo-ambiente – é muitas vezes difícil de replicar com circuitos eletrônicos tradicionais, que requerem sistemas complexos de detecção, programação e controle.

Para enfrentar este desafio, os investigadores inspiraram-se na natureza, onde as partes do corpo muitas vezes desempenham múltiplas funções e o comportamento sincronizado pode surgir sem controlo central. A principal inovação foi desenvolver um componente pequeno e modular que utiliza a pressão do ar para realizar tarefas mecânicas – semelhante à forma como um circuito eletrônico utiliza a corrente elétrica. Dependendo de como está configurado, este bloco único pode:

• Atuar (mover ou deformar) em resposta às mudanças na pressão do ar – funcionando como um músculo.
• Mudanças de pressão sensorial ou contato – semelhante a um sensor de toque.
• Alterne o fluxo de ar entre os estados ON/OFF – como uma válvula ou uma porta lógica.

Semelhante às peças de LEGO, várias unidades idênticas (cada uma com alguns centímetros de tamanho) podem ser conectadas para formar diferentes robôs sem alterar o design básico do hardware. No estudo, os pesquisadores construíram robôs de mesa (aproximadamente do tamanho de uma caixa de sapatos) que podiam pular, sacudir ou rastejar.

Numa configuração específica, os investigadores descobriram que cada unidade individual pode combinar automaticamente todas as três funções ao mesmo tempo, permitindo-lhe gerar movimento rítmico inteiramente por si só, uma vez aplicada pressão constante. Quando várias dessas unidades responsivas são interligadas, seus movimentos começam a sincronizar-se naturalmente, sem qualquer controle ou programação de computador.

Esses comportamentos foram usados ​​para criar um robô agitador (capaz de classificar contas em diferentes recipientes inclinando uma plataforma giratória) e um robô rastreador (que poderia detectar a borda de uma mesa e parar automaticamente, evitando uma queda). Em cada caso, os movimentos coordenados foram alcançados inteiramente mecanicamente, sem controle eletrônico externo.

O autor principal, Dr. Mostafa Mousa (Departamento de Ciências da Engenharia da Universidade de Oxford), disse: “Essa coordenação espontânea não requer instruções predeterminadas, mas surge puramente da maneira como as unidades são acopladas umas às outras e de sua interação com o meio ambiente.”

Estabelecendo as bases para a inteligência incorporada

Crucialmente, o comportamento sincronizado só é visto quando os robôs estão interligados e tocando o solo. Os pesquisadores usaram uma estrutura matemática chamada modelo Kuramoto, que descreve como redes de osciladores podem sincronizar, para explicar esse comportamento.

Isto revelou que movimentos complexos e coordenados podem surgir nos robôs puramente a partir do seu design físico quando eles são acoplados mecanicamente ao ambiente. Neste caso, o movimento de cada perna robótica afeta sutilmente as outras através das forças compartilhadas de reação do corpo e do solo.

Isso cria um ciclo de feedback onde as forças transmitidas por fricção, compressão e rebote unem os movimentos dos membros, levando à coordenação espontânea.

Mousa disse: “Assim como os vaga-lumes podem começar a piscar em uníssono depois de observarem uns aos outros, os membros movidos a ar do robô também entram no ritmo, mas neste caso através do contato físico com o solo, em vez de sinais visuais. Este comportamento emergente já foi observado na natureza, e este novo estudo representa um grande passo em direção a robôs programáveis ​​​​e autointeligentes. ”

Embora os robôs leves desenvolvidos estejam atualmente em escala de mesa, segundo os pesquisadores, os princípios de design são independentes da escala. Num futuro próximo, os pesquisadores pretendem investigar esses sistemas dinâmicos para construir locomotivas não amarradas com eficiência energética. Isto seria um passo em frente no sentido da implantação em larga escala destes robôs em ambientes extremos onde a energia é escassa e a adaptabilidade é necessária.

O professor Forte acrescentou: “Codificar a tomada de decisões e o comportamento diretamente na estrutura física do robô pode levar a máquinas adaptáveis ​​e responsivas que não precisam de software para ‘pensar’. É uma mudança de “robôs com cérebro” para “robôs que são seus próprios cérebros”. Isso os torna mais rápidos, mais eficientes e potencialmente melhores na interação com ambientes imprevisíveis.”