Um modelo inspirado na biologia abre as portas para o controle de robôs macios

Os braços do polvo coordenam graus quase infinitos de liberdade para realizar movimentos complexos, como alcançar, agarrar, buscar, rastejar e nadar. Como esses animais realizam uma gama tão ampla de atividades continua sendo uma fonte de mistério, espanto e inspiração. Parte do desafio vem da intrincada organização e biomecânica dos músculos internos.

Este problema foi abordado em um projeto multidisciplinar liderado por Prashant Mehta e Mattia Gazzola, professores de ciência mecânica e engenharia da Universidade de Illinois Urbana-Champaign. Conforme relatado em Anais da Royal Society A, os dois pesquisadores e seus grupos desenvolveram um modelo fisiologicamente preciso dos músculos do braço do polvo. “Nosso modelo, o primeiro de seu tipo, não apenas fornece informações sobre o problema biológico, mas também uma estrutura para o projeto e controle de robôs macios daqui para frente”, disse Mehta.

As capacidades impressionantes dos braços de polvo há muito servem de inspiração para o design e controle de robôs macios. Esses robôs macios têm o potencial de realizar tarefas complexas em ambientes não estruturados enquanto operam com segurança em torno de humanos, com aplicações que vão desde a agricultura até a cirurgia.

O estudante de pós-graduação Heng-Sheng Chang, principal autor do estudo, explicou que sistemas de corpo mole, como braços de polvo, apresentam um grande desafio de modelagem e controle. “Eles são movidos por três grandes grupos musculares internos – longitudinais, transversais e oblíquos – que fazem com que o braço se deforme em vários modos – cisalhamento, extensão, flexão e torção”, disse ele. “Isso confere aos braços musculosos e macios uma liberdade significativa, ao contrário de suas contrapartes rígidas.”

O principal insight da equipe foi expressar a musculatura do braço usando uma função de energia armazenada, um conceito emprestado da teoria da mecânica do contínuo. O estudioso de pós-doutorado e autor correspondente Udit Halder explicou que “O braço repousa no mínimo de uma paisagem de energia. As atuações musculares modificam a função de energia armazenada, mudando assim a posição de equilíbrio do braço e guiando o movimento”.

A interpretação dos músculos usando a energia armazenada simplifica drasticamente o projeto de controle do braço. Em particular, o estudo descreve uma metodologia de controle de modelagem de energia para calcular as ativações musculares necessárias para resolver tarefas de manipulação, como alcançar e agarrar. Quando esta abordagem foi demonstrada numericamente no ambiente de software elástico, Este modelo levou a um movimento notavelmente realista quando um braço de polvo foi simulado em três dimensões. Além disso, de acordo com Halder, “nosso trabalho oferece garantias matemáticas de desempenho que muitas vezes faltam em abordagens alternativas, incluindo aprendizado de máquina”.

“Nosso trabalho faz parte de um ecossistema maior de colaborações contínuas na Universidade de Illinois”, disse Mehta. “A montante, há biólogos que fazem experimentos com polvos. A jusante, há roboticistas que estão pegando essas ideias matemáticas e aplicando-as em robôs macios reais.”

Os grupos de Mehta e Gazzola colaboraram com Rhanor Gillette, professor emérito de fisiologia molecular e integrativa de Illinois, para incorporar a fisiologia do polvo observada em seu modelo matemático para este estudo. O trabalho futuro discutirá as implicações biológicas do controle baseado em energia. Além disso, os pesquisadores estão colaborando com Girish Krishnan, professor de engenharia de sistemas industriais e empresariais de Illinois, para incorporar suas ideias matemáticas ao projeto e controle de robôs macios reais. Isso não apenas criará uma maneira sistemática de controlar robôs macios, mas também fornecerá uma compreensão mais profunda de seus mecanismos de trabalho.

Este trabalho fazia parte do projeto CyberOctopus, uma iniciativa de pesquisa universitária multidisciplinar no Laboratório de Ciências Coordenadas da Universidade de Illinois, apoiada pelo Escritório de Pesquisa Naval.