Minhocas, molas e robôs macios: pequenas criaturas inspiram saltos gigantescos

Pesquisadores da Georgia Tech recentemente revelou uma conquista impressionante: um robô macio de 5 cm de comprimento que pode se catapultar a 10 metros de altura – a altura de uma cesta de basquete – sem pernas. O design foi inspirado no humilde nematoide, uma minúscula lombriga mais fina que um fio de cabelo humano, capaz de saltar muitas vezes o comprimento do seu corpo. 

Ao comprimir o corpo em dobras apertadas, o verme armazena energia elástica e a libera repentinamente, lançando-se para o céu ou para trás como um ginasta acrobático. Os engenheiros imitaram esse movimento. Seu robô "SoftJM" é essencialmente uma haste flexível de silicone com uma estrutura rígida de fibra de carbono. Dependendo de como se curva, ele pode saltar para a frente ou para trás – mesmo sem ter rodas ou pernas.

Em ação, o robô inspirado em nematoides se enrola como uma pessoa agachada e, em seguida, se desdobra explosivamente para pular. Uma câmera de alta velocidade mostra como o verme curva a cabeça para cima e se curva no meio do corpo para pular para trás, depois se endireita e se curva na cauda para pular para a frente. 

A equipe da Georgia Tech descobriu que essas curvas fechadas – normalmente um problema em mangueiras ou cabos – na verdade permitem que o verme e o robô armazenem muito mais energia. Como observou um pesquisador, canudos ou mangueiras dobrados são inúteis, mas um verme dobrado age como uma mola carregada. No laboratório, o robô flexível reproduzido esse truque: ele “belisca” o meio ou a cauda, ​​fica tenso e então solta em uma explosão (cerca de um décimo de milissegundo) para voar alto.

Robôs Soft em Ascensão

A robótica suave é uma área jovem, mas em rápido crescimento, que frequentemente se inspira na natureza. Ao contrário das máquinas metálicas rígidas, os robôs suaves são feitos de materiais flexíveis que podem se comprimir, esticar e se adaptar ao ambiente. Os primeiros marcos na área incluem Octobot de Harvard – um robô autônomo feito inteiramente de silicone e canais de fluido, sem partes rígidas, inspirado nos músculos do polvo. Desde então, engenheiros construíram uma variedade de máquinas macias: de rastreadores semelhantes a vermes e garras gelatinosas a "exoesqueletos" vestíveis e robôs semelhantes a cipós rolantes. 

Por exemplo, pesquisadores de Yale criaram um robô macio inspirado em tartarugas, cujas pernas alternam entre nadadeiras flexíveis e "pernas firmes para terra", dependendo se está nadando ou caminhando. Na UCSB, cientistas criaram um robô semelhante a uma videira que cresce em direção à luz usando apenas "pele" sensível à luz – ele literalmente se estende por espaços estreitos como o caule de uma planta. Essas e outras inovações bioinspiradas mostram como materiais macios podem criar novos modos de movimento.

No geral, os defensores afirmam que os robôs soft podem ir a lugares onde os robôs tradicionais não podem. Notas da Fundação Nacional de Ciências dos EUA que máquinas macias adaptativas “exploram espaços antes inacessíveis aos robôs tradicionais” – até mesmo dentro do corpo humano. Alguns robôs macios possuem “peles” programáveis ​​que mudam de rigidez ou cor para se camuflar ou agarrar objetos. Os engenheiros também estão explorando técnicas de origami/kirigami, polímeros com memória de forma e outros truques para que esses robôs possam se reconfigurar rapidamente.

Engenharia de Movimento Flexível

Fazer um robô macio se mover como um animal traz grandes desafios. Sem juntas rígidas ou motores, os projetistas precisam confiar nas propriedades dos materiais e em uma geometria inteligente. Por exemplo, o jumper da Georgia Tech teve que incluir uma espinha dorsal de fibra de carbono dentro de seu corpo de borracha para tornar a ação da mola suficientemente potente. Integrar sensores e sistemas de controle também é complicado. Engenheiros da Penn State apontam, a eletrônica tradicional é rígida e congelaria um robô flexível no lugar.

Para tornar seu pequeno robô de resgate rastejante "inteligente", eles tiveram que espalhar cuidadosamente circuitos flexíveis por todo o corpo para que ele ainda pudesse se dobrar. Até mesmo encontrar fontes de energia é mais difícil: alguns robôs macios usam campos magnéticos externos ou ar pressurizado, pois carregar uma bateria pesada os sobrecarregaria.

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

Outro obstáculo é explorar a física correta. A equipe nematoide-robô descobriu que as torções realmente ajudam. Em um tubo de borracha normal, uma torção interrompe rapidamente o fluxo; mas em um verme macio, ela cria lentamente a pressão interna, permitindo uma flexão muito maior antes da liberação. Experimentando com simulações e até mesmo modelos de balões cheios de água, os pesquisadores mostraram que seu corpo flexível poderia reter muita energia elástica quando dobrado e, em seguida, liberá-la em um salto rápido. O resultado é notável: a partir do repouso, o robô pode saltar 10 metros de altura, repetidamente, simplesmente flexionando a coluna. Esses avanços – encontrando maneiras de loja e ferrolhos de sobrepor podem ser usados para proteger uma porta de embutir pelo lado de fora. Alguns kits de corrente de segurança também permitem travamento externo com chave ou botão giratório. liberar energia em materiais emborrachados – são típicos da engenharia robótica suave.

Hoppers e ajudantes do mundo real

Para que servem todos esses robôs macios? Em princípio, eles podem lidar com situações perigosas ou incômodas demais para máquinas rígidas. Em zonas de desastre, por exemplo, robôs macios podem se esgueirar sob escombros ou dentro de prédios desabados para encontrar sobreviventes. A Universidade Estadual da Pensilvânia apresentou um protótipo de um robô rastreador macio controlado magneticamente que conseguia navegar por detritos compactos ou até mesmo se mover por canais do tamanho de vasos sanguíneos.

Na medicina, robôs macios microscópicos poderiam administrar medicamentos diretamente no corpo. Em um estudo do MIT, um robô macio, da espessura de um fio, foi concebido para flutuar pelas artérias e remover coágulos, potencialmente tratando derrames sem cirurgia aberta. Cientistas de Harvard também estão trabalhando em exoesqueletos macios vestíveis – uma manga inflável leve que ajudou pacientes com ELA a levantar um ombro, melhorando imediatamente sua amplitude de movimento.

As agências espaciais também estão de olho em saltadores macios. Rodas podem ficar presas na areia ou em pedras, mas um robô saltador pode saltar sobre crateras e dunas. A NASA está até imaginando novos saltadores para a Lua e luas geladas. Em um conceito, um robô do tamanho de uma bola de futebol chamado PARDAL usariam jatos de vapor (de gelo fervido) para saltar muitos quilômetros através de Europa ou Encélado. Na baixa gravidade dessas luas, um pequeno salto pode ser muito útil – cientistas observam que o salto de um metro de um robô na Terra poderia levá-lo a cem metros em Encélado. A ideia é que dezenas desses saltadores poderiam se espalhar por terrenos alienígenas "com total liberdade de movimento", onde robôs com rodas parariam. De volta à Terra, futuros saltadores suaves poderiam ajudar em missões de busca e salvamento, saltando sobre rios, lama ou solo instável que parariam robôs convencionais.

Robôs macios também estão encontrando emprego na indústria e na agricultura. A NSF aponta que eles podem se tornar auxiliares seguros em fábricas ou fazendas, pois obedecem se um humano estiver no caminho. Pesquisadores até construíram pinças macias que pegam frutas delicadas com delicadeza, sem machucá-las. A flexibilidade das máquinas macias significa que elas podem atuar em locais muito pequenos ou flexíveis para dispositivos rígidos.

No fim das contas, os especialistas acreditam que a robótica leve mudará fundamentalmente muitos campos. De minhocas a trajes vestíveis e saltadores lunares, esta linha de pesquisa mostra como o estudo de pequenas criaturas pode gerar grandes avanços tecnológicos.