Um robô inspirado no camarão louva-a-deus para explorar ambientes subaquáticos estreitos

A natureza é a principal fonte de inspiração para muitos sistemas robóticos existentes, concebidos para replicar a aparência e o comportamento de vários organismos vivos. Ao reproduzir artificialmente processos biológicos, estes robôs podem ajudar a resolver problemas complexos do mundo real de forma mais eficaz.

Pesquisadores da Zhejiang Sci-Tech University e da University of Essex desenvolveram um robô inspirado no camarão louva-a-deus que poderia ajudar a explorar e monitorar ambientes subaquáticos estreitos que são habitados por inúmeras espécies animais e ricos em recursos minerais. Este robô bio-inspirado foi apresentado em um artigo publicado em Transações IEEE/ASME em Mecatrônica.

“Muitos ambientes subaquáticos têm espaços estreitos que são de difícil acesso para os humanos, portanto, seria ideal que os robôs assumissem sua exploração”, disse Gang Chen, um dos autores do artigo, ao Tech Xplore. “O camarão louva-a-deus é um pequeno predador flexível e de natação rápida no ambiente marinho, e sua excelente capacidade de movimento pode fornecer novas idéias de pesquisa para o desenvolvimento de robôs subaquáticos. Este trabalho toma o camarão louva-a-deus como objeto biônico, projeta um novo robô camarão louva-a-deus, e completa seu controle de movimento.”

Inspirados pelas habilidades e movimentos do camarão louva-a-deus, Chen e seus colegas decidiram replicá-los artificialmente. A esperança deles era desenvolver um robô subaquático que pudesse se mover notavelmente bem debaixo d’água, imitando os mecanismos que suportam os movimentos do camarão louva-a-deus e, assim, também acessando facilmente espaços estreitos debaixo d’água.

O robô ágil criado pelos pesquisadores, composto por 10 pleópodes artificiais e corpo flexível, possui forte capacidade de propulsão. Pleópodes são membros em forma de garfo presos ao corpo dos crustáceos, que permitem aos animais se movimentarem na água.

“O robô biônico camarão louva-a-deus é movido por cinco pares de pleópodes”, explicou Chen. “Um equilíbrio de velocidade e estabilidade pode ser alcançado ajustando a frequência de movimento, amplitude e diferença de fase do movimento desses cinco pares de pleópodes. Além disso, a conexão de cada par de pleópodes é independente, o que é muito útil para reparar em caso de danos estruturais debaixo d’água.”

Os movimentos do robô da equipe são controlados pela flexão de seu torso flexível por meio de um fio, junto com o movimento de seus pleópodes artificiais. Coletivamente, esses mecanismos permitem que o robô ajuste rapidamente o ângulo em que está girando, para que possa nadar na direção desejada.

“Os múltiplos pleópodes são redundantes, o que pode permitir que o robô gire mesmo quando alguns dos pleópodes falham”, disse Chen. “O pleópode biônico é projetado com três articulações, uma das quais é uma articulação ativa acionada por servomotor e as duas articulações restantes são articulações passivas, que utilizam a resistência da água para conseguir desdobramento e dobramento.”

Essencialmente, quando um dos membros do robô se move para trás, as suas três articulações se expandem totalmente, levando à propulsão máxima. Em contraste, quando o membro retorna à sua posição original, as articulações dobram-se, reduzindo a resistência para a frente. Este design único aproveita as características associadas ao fluxo da água para simplificar a estrutura do robô, aumentar a sua capacidade de propulsão e facilitar o controlo debaixo de água.

“A estrutura geral do robô biônico do camarão mantis refere-se à estrutura biológica do camarão mantis e o corpo do robô é plano com um telson simplificado para reduzir efetivamente o arrasto”, disse Chen. “O pleópode e o corpo do robô adotam um design de acoplamento rígido-flexível para reduzir o impacto da água no robô e melhorar a estabilidade do robô em movimento subaquático.”

Os pesquisadores testaram um protótipo de seu robô camarão louva-a-deus e descobriram que ele poderia se mover bem debaixo d’água, atingindo uma velocidade máxima de 0,28 m/s e um raio de giro mínimo de 0,36 m. Estes resultados destacam o potencial do robô para enfrentar missões de exploração em ambientes subaquáticos estreitos e complexos.

Notavelmente, tanto a velocidade quanto os movimentos do robô camarão mantis podem ser controlados com precisão e facilidade, reduzindo o risco de colisões com obstáculos subaquáticos. Os investigadores planeiam agora desenvolver ainda mais o seu sistema, na esperança de que eventualmente seja utilizado para monitorizar e resgatar ambientes marinhos.

“No futuro, nos concentraremos em como realizar o movimento autônomo do robô biônico camarão mantis em um ambiente subaquático estreito para completar a tarefa de detecção neste ambiente”, disse Chen.

“Planejamos otimizar a estrutura, a forma e o design do sistema de hardware do robô para melhorar sua capacidade de movimento de seis graus de liberdade no espaço 3D e maior velocidade de movimento subaquático. Em seguida, a IMU, a câmera, o sensor de profundidade e outros os dispositivos de aquisição de informações serão aumentados para obter um controle de movimento em circuito fechado mais preciso do robô através da análise de informações ambientais e do ajuste de feedback de sua própria postura.”

Embora o robô da equipe já tenha alcançado resultados encorajadores, ainda está em um estágio inicial de desenvolvimento. Chen e seus colegas continuarão agora a melhorar e testar seu robô, para verificar sua capacidade de navegar em ambientes subaquáticos apertados.

“Em nossos próximos estudos, também aumentaremos a durabilidade e a confiabilidade de cada um dos componentes do robô, usando fibra de carbono e materiais incorporados de alta resistência”, acrescentou Chen. “Isso poderia estabelecer as bases para aplicações práticas em ambientes subaquáticos confinados.”

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