Cientistas Constroem BirdBot Eficiente em Energia

Uma equipe de cientistas do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) liderada por Alexander Badri-Spröwitz construiu uma perna de robô baseada no modelo natural de aves que não voam. O novo BirdBot foi criado com menos motores do que outras máquinas e, teoricamente, poderia ser escalado para um tamanho grande.

Badri-Spröwitz lidera o Grupo de Locomoção Dinâmica, que faz trabalhos de cruzamento nos campos da biologia e robótica. A equipe incluiu Alborz Aghamaleki Sarvestani, estudante de doutorado de Badri-Spröwitz; Metin Sitti, robótico e diretor do MPI-IS; e Monica A. Daley, professora de biologia da Universidade da Califórnia, Irvine.

A pesquisa foi publicada na revista Science Robotics.

Olhando para as Aves na Natureza

As aves dependem de um movimento que envolve dobrar os pés para trás quando estão na fase de balanço, e a equipe atribuiu esse movimento a um acoplamento mecânico.

“Não é o sistema nervoso, não são impulsos elétricos, não é atividade muscular”, diz Badri-Spröwitz. “Nós hipotetizamos uma nova função do acoplamento pé-perna por meio de uma rede de músculos e tendões que se estende por várias articulações. Esses músculos e tendões coordenam a dobra do pé na fase de balanço. Em nosso robô, implementamos a mecânica acoplada na perna e no pé, o que permite uma caminhada de robô eficiente em energia e robusta. Nossos resultados demonstrando esse mecanismo em um robô nos levam a acreditar que benefícios semelhantes de eficiência também se aplicam às aves”, explica ele.

A equipe testou sua hipótese construindo uma perna robótica modelada após a perna de uma ave que não voa. A perna artificial de ave foi construída sem motor. Em vez disso, dependia de uma articulação equipada com um mecanismo de mola e cabo. Os pesquisadores então usaram cabos e polias para acoplar mecanicamente o pé às articulações da perna. Cada uma dessas pernas tem uma articulação do quadril com motor, responsável por balançar a perna para frente e para trás, e um pequeno motor que puxa a perna para cima, flexionando o joelho.

O BirdBot foi testado em uma esteira enquanto a equipe observava a dobra e a abertura do pé.

“A articulação do pé e da perna não precisa de atuação na fase de apoio”, diz Aghamaleki Sarvestani.

“As molas alimentam essas articulações, e o mecanismo de mola e tendão coordena os movimentos das articulações. Quando a perna é puxada para a fase de balanço, o pé desacopla a mola da perna — ou a mola muscular, como acreditamos que acontece nos animais”, continua Badri-Spröwitz.

Zero Energia ao Estar em Pé

A perna do robô usa zero energia ao estar em pé, o que significa que ela só requer um quarto da energia de seu antecessor.

Quando o robô está correndo, o pé desacopla a mola da perna a cada balanço da perna. Para desacoplar, o grande movimento do pé afrouxa o cabo enquanto as articulações restantes da perna balançam livremente. Isso cria uma transição de estados entre estar em pé e balançar a perna, que normalmente é fornecida a robôs por um motor na articulação. Um sensor também normalmente envia um sinal a um controlador que liga e desliga os motores do robô.

“Anteriormente, os motores eram ligados dependendo de se a perna estava na fase de balanço ou de apoio. Agora, o pé assume essa função na máquina de caminhar, comutando mecanicamente entre apoio e balanço. Nós só precisamos de um motor na articulação do quadril e um motor para dobrar o joelho na fase de balanço. Deixamos o engajamento e desengajamento da mola da perna para a mecânica inspirada nas aves. Isso é robusto, rápido e eficiente em energia”, diz Badri-Spröwitz.

O BirdBot é um modelo físico que demonstra muitos dos mecanismos incríveis das aves na natureza, como aqueles que as ajudam a agir rapidamente sem precisar pensar. Se houver um obstáculo no chão, a perna do BirdBot comuta mecanicamente e sem atraso. Assim como as aves na natureza, o robô tem alta robustez de locomoção.

Essa nova pesquisa pode resultar em pernas de metro de altura que podem ser implementadas para carregar robôs com vários toneladas de peso, tudo com pouca entrada de energia. A construção do BirdBot também pode fornecer novas insights profundas na biologia, levando a avanços no campo.