Vermes e molas inspiram avanços na robótica suave

Pesquisadores da Georgia Tech alcançaram um feito impressionante: um robô macio de 12,7 cm que pode se lançar a 3 metros no ar, atingindo a altura de uma cesta de basquete, apesar de não ter pernas. O design se inspira no modesto nematóide, um verme redondo microscópico mais fino que um fio de cabelo humano, conhecido por pular muitas vezes o comprimento do seu corpo.

Este verme armazena energia elástica ao enrolar seu corpo em espirais apertadas e, em seguida, libera-a repentinamente para se impulsionar para cima ou para trás como um acrobata. Os engenheiros replicaram esse movimento com seu robô “SoftJM”, uma haste flexível de silicone reforçada com uma espinha rígida de fibra de carbono. Ao alterar a forma como se dobra, o robô pode se lançar para frente ou para trás, tudo sem rodas ou pernas.

Em ação, esse robô bioinspirado se enrola como um velocista em um bloco de partida antes de se endireitar explosivamente para pular. Imagens em alta velocidade revelam como o verme curva a cabeça para cima e dobra a parte central do corpo para pular para trás, depois se endireita e dobra a cauda para saltar para frente.

A equipe da Georgia Tech descobriu que essas curvas acentuadas, normalmente problemáticas em mangueiras ou cabos, permitem que tanto o verme quanto o robô armazenem significativamente mais energia. Como explicou um pesquisador, um canudo dobrado é inútil, mas um verme dobrado se comporta como uma mola carregada. No laboratório, o robô macio reproduziu com sucesso esse mecanismo: ele aperta o meio ou a cauda, cria tensão e a libera em uma explosão que dura cerca de um décimo de milésimo de segundo para voar pelo ar.

Robôs flexíveis em ascensão

A robótica macia é um campo relativamente novo, mas em rápido crescimento, que frequentemente busca inspiração na natureza. Ao contrário das máquinas rígidas de metal, os robôs macios são construídos com materiais flexíveis que podem apertar, esticar e se adaptar ao ambiente. Um trabalho pioneiro inclui o Octobot da Harvard, um robô totalmente autônomo feito inteiramente de silicone e canais de fluido, sem peças rígidas, inspirado na musculatura do polvo. Desde então, os engenheiros desenvolveram uma variedade de máquinas flexíveis, desde rastreadores semelhantes a minhocas e garras gelatinosas até exosuits vestíveis e rolos inspirados em videiras.

Por exemplo, pesquisadores de Yale projetaram um robô flexível inspirado em tartarugas, cujos membros transitam entre nadadeiras flexíveis e “pernas terrestres” rígidas para nadar ou andar. Na UC Santa Barbara, cientistas criaram um robô semelhante a uma videira que cresce em direção à luz usando apenas uma “pele” sensível à luz, estendendo-se por espaços estreitos como um caule de planta. Essas e outras inovações inspiradas na biologia demonstram como os materiais flexíveis permitem formas totalmente novas de movimento.

Os defensores argumentam que os robôs macios podem acessar ambientes fora do alcance dos robôs tradicionais. A Fundação Nacional de Ciência dos EUA destaca que máquinas macias adaptáveis “exploram espaços anteriormente inacessíveis”, incluindo o interior do corpo humano. Algumas apresentam “peles” programáveis que alteram a rigidez ou a cor para camuflagem ou aderência. Os engenheiros também estão explorando técnicas como origami/kirigami e polímeros com memória de forma, permitindo que esses robôs se reconfigurem rapidamente.

Engenharia de movimento flexível

Projetar um robô flexível para se mover como um animal apresenta desafios significativos. Sem articulações rígidas ou motores convencionais, os engenheiros devem confiar nas propriedades dos materiais e na geometria inteligente. Por exemplo, o robô saltador da Georgia Tech precisava de uma coluna interna de fibra de carbono dentro de seu corpo de borracha para gerar força de mola suficiente. A integração de sensores e sistemas de controle também é complexa. Como observam os engenheiros da Penn State, os componentes eletrônicos rígidos tradicionais imobilizariam um robô flexível.

Para tornar seu pequeno robô de resgate rastejante “inteligente”, eles distribuíram meticulosamente circuitos flexíveis por todo o corpo para preservar a flexibilidade. Até mesmo a energia representa um desafio: alguns robôs macios usam campos magnéticos externos ou ar pressurizado porque carregar uma bateria pesada impediria seus movimentos.

Os robôs macios inspirados em nematóides da Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Outro obstáculo é aproveitar a física correta. A equipe do robô nematóide descobriu que as torções são benéficas. Enquanto uma torção interrompe o fluxo em um tubo de borracha padrão, em um corpo macio semelhante a um verme, ela gradualmente aumenta a pressão interna, permitindo uma maior flexão antes da liberação. Por meio de simulações e experimentos com modelos de balões cheios de água, os pesquisadores provaram que seu design flexível poderia armazenar energia elástica substancial quando dobrado e liberá-la em um salto rápido. O resultado é notável: a partir da posição parada, o robô pode pular repetidamente a 3 metros de altura simplesmente flexionando sua coluna. Essas descobertas no armazenamento e liberação de energia em materiais elásticos são emblemáticas da engenharia de robótica flexível.

Saltadores e auxiliares do mundo real

Quais são as aplicações práticas desses robôs flexíveis? Em teoria, eles podem operar em situações muito perigosas ou confinadas para máquinas rígidas. Em zonas de desastre, por exemplo, robôs flexíveis poderiam se mover sob escombros ou em estruturas desabadas para localizar sobreviventes. A Penn State demonstrou um protótipo de rastreador flexível controlado magneticamente, capaz de navegar por detritos apertados e até mesmo canais do tamanho de vasos sanguíneos.

Na medicina, robôs macios microscópicos poderiam administrar medicamentos diretamente dentro do corpo. Um estudo do MIT imaginou um robô macio fino como um fio navegando pelas artérias para limpar coágulos, potencialmente tratando derrames sem cirurgia invasiva. Pesquisadores de Harvard também estão desenvolvendo exoesqueletos macios vestíveis, como uma manga inflável leve que ajudou um paciente com ELA a levantar o ombro, melhorando instantaneamente sua amplitude de movimento.

As agências espaciais também estão interessadas em saltadores flexíveis. As rodas podem atolar na areia ou nas rochas, mas um robô saltador poderia saltar sobre crateras e dunas. A NASA está concebendo novos saltadores para a Lua e luas geladas. Um conceito, um robô do tamanho de uma bola de futebol chamado SPARROW, usaria jatos de vapor de gelo vaporizado para saltar muitos quilômetros através de Europa ou Enceladus. Na baixa gravidade dessas luas, um pequeno salto cobre uma grande distância — um salto de um metro na Terra poderia impulsionar um robô cem metros em Encélado. A visão é que enxames desses saltadores atravessem terrenos alienígenas “com total liberdade”, onde rovers com rodas ficariam presos. Na Terra, futuros saltadores suaves poderiam auxiliar em missões de busca e resgate, saltando sobre rios, lama ou solo instável que impediriam robôs convencionais.

Os robôs flexíveis também estão encontrando funções na indústria e na agricultura. A NSF destaca seu potencial como assistentes colaborativos seguros em fábricas e fazendas, pois eles cedem ao contato com uma pessoa. Pesquisadores até criaram garras flexíveis que colhem frutas delicadas sem machucá-las. A flexibilidade inerente dessas máquinas permite que elas operem em espaços muito pequenos ou flexíveis para dispositivos rígidos.

Em última análise, os especialistas acreditam que a robótica flexível transformará vários campos. De minhocas a trajes vestíveis e saltadores lunares, essa linha de pesquisa demonstra como o estudo de pequenas criaturas pode levar a grandes avanços na tecnologia.