Habilidades de aterrissagem forçada das lagartixas podem ser usadas em robótica

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes em Stuttgart, na Alemanha, demonstraram como as lagartixas usam suas caudas para manobrar no ar. Essa habilidade permite que eles se corrijam ao cair depois de perder o controle e também pode ajudá-los a se impulsionar pela superfície de um lago.

Os resultados serão publicados esta semana no Natureza revista Biologia das Comunicações.

Essas técnicas são muito úteis em robótica e já estão sendo implementadas em robôs parecidos com lagartixas.

Descobertas surpreendentes sobre lagartixas

Robert Full é professor de biologia integrativa da UC Berkeley, e Adria Jusufi é membro do corpo docente da Escola de Pesquisa Max Planck para Sistemas Inteligentes e ex-aluno de doutorado da UC Berkeley. Os dois fizeram uma nova descoberta importante e surpreendente de que as lagartixas também usam suas caudas para ajudar a se recuperar quando dão uma cabeçada em uma árvore. 

Quedas de cabeça são bastante comuns entre lagartixas, e Jusufi documentou isso com câmeras de vídeo de alta velocidade.

“Observar as lagartixas da elevação no dossel da floresta tropical foi revelador. Antes da decolagem, eles moviam a cabeça para cima e para baixo e de um lado para o outro para ver o alvo de pouso antes de saltar, como se para estimar a distância percorrida”, disse Jusufi.

Os vídeos mostram que a lagartixa, neste caso a lagartixa asiática comum, agarra o tronco com as garras e dedos acolchoados ao colidir de frente com a árvore. Isso ajuda a cabeça e os ombros a se recuperarem, e a lagartixa tem força para pressionar a cauda contra o tronco, o que a impede de cair para trás.

“Longe de parar, alguns desses lagartos ainda estão acelerando com o impacto”, disse Jusufi. “Eles batem de cabeça, caem de cabeça para trás em um ângulo extremo em relação à vertical – eles parecem uma estante de livros saindo da árvore – ancorados apenas por suas patas traseiras e cauda enquanto dissipam a energia do impacto. Com o reflexo de travamento da queda acontecendo tão rápido, apenas o vídeo em câmera lenta poderia revelar o mecanismo subjacente.”

De acordo com os cientistas, outros animais saltadores pequenos e leves, como lagartos, também podem usar essas técnicas.

“Eles podem ter planeios mais longos que são mais deslizes de equilíbrio e pousam de maneira diferente, mas, por exemplo, se estão tentando escapar, eles optam por fazer esse tipo de comportamento, em parte porque o tamanho é importante”, disse Full. “Quando você é tão pequeno, tem opções que não são soluções para coisas grandes. Então, essa é uma espécie de solução mediada pelo corpo que você não tem se for maior.”

Estruturas semelhantes às caudas de lagartixas podem ser usadas para ajudar a estabilizar robôs voadores como drones, ajudando-os a pousar em superfícies verticais.

Os pesquisadores são os primeiros a documentar, modelar matematicamente e reproduzir esse comportamento em um robô macio. 

“Exaptações são estruturas que foram cooptadas para muitos comportamentos, não importa para o que essa estrutura evoluiu originalmente, e aqui está uma que você não esperaria”, disse Full. “Você pode ver como essa capacidade incrível de ser robusto pode permitir essas exaptações.”

“Até recentemente as caudas não recebiam tanta atenção quanto as pernas ou asas, mas agora as pessoas estão percebendo que devemos pensar nesses animais como tendo cinco pernas, de certa forma – pentapedais”, disse Jusufi.

De acordo com Full, os engenheiros robóticos estão adicionando cada vez mais funções aos robôs e estão aprendendo que podem introduzir uma nova peça para cada capacidade. 

“Conforme desenvolvemos nossos robôs e sistemas físicos, todos os engenheiros querem fazer mais coisas. E adivinha? Em algum momento, você não pode otimizar um robô para tudo”, disse ele. “Você tem que usar as coisas para outros comportamentos a fim de obter esses comportamentos.”

Construindo o Robô

Os pesquisadores construíram um robô com cauda depois de criar suas peças com Carbon M2, uma impressora 3D de última geração projetada especificamente para estruturas moles. Os pés eram equipados com velcro para que pudessem grudar no contato, e a cauda tinha um mecanismo que a fazia pressionar para baixo quando as patas dianteiras atingiam uma superfície e escorregavam.

O robô com cauda demonstrou sucesso semelhante ao fazer aterrissagens difíceis. Na natureza, lagartixas com cauda pousam com sucesso em superfícies verticais sem cair 87% das vezes. Os robôs sem cauda demonstraram a capacidade de pousar com sucesso 15% do tempo nos testes, mas o novo robô com cauda foi capaz de pousar 55% do tempo nos testes.

Os pesquisadores também descobriram que os robôs com caudas com metade do comprimento da cabeça e do corpo combinados eram quase tão bem-sucedidos quanto os mais longos que tinham o comprimento do focinho à cloaca. Eles também descobriram que os robôs de cauda curta exigiam o dobro da força do pé para permanecerem presos à árvore.

A equipe vai continuar estudando as lagartixas e buscar novos princípios para aplicar aos robôs, especialmente robôs macios em superfícies verticais.

“A evolução não é sobre otimização e perfeição, mas sim sobre suficiência. A solução apenas boa o suficiente realmente oferece uma variedade de recursos para que você seja muito mais robusto em ambientes desafiadores”, disse Full. “A evolução parece mais um funileiro que nunca sabe realmente o que vai produzir e usa tudo o que está à sua disposição para fazer algo viável.”

“Pequenos animais arbóreos sem adaptações morfológicas óbvias para o vôo estão cada vez mais exibindo uma capacidade surpreendente de manobrar no ar. Modelos físicos robóticos macios podem ajudar a decifrar o controle de tais soluções mediadas mecanicamente para o pouso”, disse Jusufi.