Minhocas, Molas e Robôs Macios: Criaturas Pequenas Inspiram Saltos Gigantescos

Pesquisadores da Georgia Tech recentemente apresentaram um feito impressionante: um robô macio de 5 polegadas de comprimento que pode catapultar-se 10 pés no ar – a altura de uma cesta de basquete – sem pernas. O design foi inspirado no humilde nematoide, uma minúscula minhoca redonda mais fina que um cabelo humano que pode pular muitas vezes o seu comprimento corporal. 

Ao pinçar seu corpo em dobras apertadas, a minhoca armazena energia elástica e, em seguida, libera-a repentinamente, arremessando-se para cima ou para trás como um ginasta acrobata. Os engenheiros imitaram esse movimento. Seu robô “SoftJM” é essencialmente uma barra de silicone flexível com uma espinha dorsal de fibra de carbono rígida. Dependendo de como ele se dobra, pode pular para a frente ou para trás – mesmo sem rodas ou pernas.

Em ação, o robô inspirado na minhoca se enrosca muito como uma pessoa agachada, então se desenrosca explosivamente para pular. Uma câmera de alta velocidade mostra como a minhoca curva sua cabeça para cima e se dobra no meio do corpo para pular para trás, então se endireita e se dobra na cauda para pular para a frente. 

A equipe da Georgia Tech descobriu que essas dobras apertadas – normalmente um problema em mangueiras ou cabos – na verdade permitem que a minhoca e o robô armazenem muito mais energia. Como um pesquisador observou, palitos ou mangueiras dobrados são inúteis, mas uma minhoca dobrada age como uma mola carregada. No laboratório, o robô macio reproduziu esse truque: ele “pinça” seu meio ou cauda, tensiona e, em seguida, libera em uma explosão (cerca de um décimo de milissegundo) para voar no ar.

Robôs Macios em Ascensão

A robótica macia é um campo jovem, mas em rápida expansão, que muitas vezes segue pistas da natureza. Ao contrário de máquinas metálicas rígidas, robôs macios são feitos de materiais flexíveis que podem ser esmagados, esticados e adaptados ao seu entorno. Os primeiros marcos no campo incluem o Octobot da Harvard – um robô autônomo feito inteiramente de silicone e canais de fluido, sem partes rígidas, inspirado nos músculos de polvo. Desde então, engenheiros construíram uma variedade de máquinas macias: desde rastejadores semelhantes a minhocas e ganchos gelatinosos até “exosqueletos” vestíveis e robôs semelhantes a videiras que rolam. 

Por exemplo, pesquisadores de Yale criaram um robô macio inspirado em tartaruga cujas pernas mudam entre flippers flácidos e pernas firmes, dependendo se está nadando ou caminhando. Na UCSB, cientistas fizeram um robô semelhante a videira que cresce em direção à luz usando apenas “pele” sensível à luz – ele literalmente se estende por espaços estreitos como um caule de planta. Essas e outras inovações bio-inspiradas mostram como materiais macios podem criar novos modos de movimento.

No geral, os defensores dizem que robôs macios podem ir a lugares que robôs tradicionais não podem. A Fundação Nacional de Ciência dos EUA observa que máquinas macias adaptáveis “exploram espaços anteriormente inacessíveis a robôs tradicionais” – mesmo dentro do corpo humano. Alguns robôs macios têm “peles” programáveis que mudam de rigidez ou cor para se misturarem ou agarrarem objetos. Engenheiros também estão explorando técnicas de origami/kirigami, polímeros com memória de forma e outros truques para que esses robôs possam se reconfigurar em voo.

Engenharia de Movimento Flexível

Fazer um robô macio se mover como um animal vem com grandes desafios. Sem juntas rígidas ou motores, os designers devem confiar em propriedades de material e geometria inteligente. Por exemplo, o saltador 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 poderosa o suficiente. Integrar sensores e sistemas de controle também é complicado. Como engenheiros da Penn State observam, eletrônicos tradicionais são rígidos e congelariam um robô macio no lugar.

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

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

Outro obstáculo é explorar a física certa. A equipe do robô-nematode aprendeu que as dobras na verdade ajudam. Em um tubo de borracha normal, uma dobra para rapidamente; mas em uma minhoca macia, ela constrói lentamente pressão interna, permitindo muito mais dobra antes da liberação. Experimentando com simulações e até mesmo modelos de balões cheios de água, os pesquisadores mostraram que seu corpo flexível pode segurar muita energia elástica quando dobrado, então liberá-la em um salto rápido. O resultado é notável: a partir do repouso, o robô pode pular 10 pés de altura, repetidamente, apenas flexionando sua espinha. Essas inovações – encontrando maneiras de armazenar e liberar energia em materiais de borracha – são típicas da engenharia de robótica macia.

Puladores e Auxiliares do Mundo Real

Para que servem todos esses robôs macios? Em princípio, eles podem lidar com situações perigosas ou difíceis demais para máquinas rígidas. Em zonas de desastre, por exemplo, robôs macios podem se esgueirar sob escombros ou em prédios desmoronados para encontrar sobreviventes. A Penn State mostrou um protótipo de robô macio controlado magneticamente que pode navegar por detritos apertados ou até mesmo se mover por canais do tamanho de vasos sanguíneos.

Na medicina, robôs macios microscópicos podem entregar medicamentos diretamente no corpo. Em um estudo do MIT, um robô macio fininho como um fio foi imaginado para flutuar por artérias e limpar coágulos, potencialmente tratando derrames sem cirurgia aberta. Cientistas de Harvard estão trabalhando em exosqueletos macios vestíveis também – uma manga inflável leve que ajudou pacientes com ALS a levantar um ombro, melhorando imediatamente seu alcance de movimento.

Agências espaciais também estão olhando para robôs macios saltadores. Rodas podem ficar presas na areia ou em rochas, mas um robô que pula pode saltar sobre crateras e dunas. A NASA está imaginando novos saltadores para a Lua e luas geladas. Em um conceito, um robô do tamanho de uma bola de futebol chamado SPARROW usaria jatos de vapor (de gel derretido) para pular muitas milhas por Europa ou Encélado. Na gravidade baixa dessas luas, um pequeno salto vai muito longe – cientistas observam que um salto de um metro de um robô na Terra poderia levá-lo a cem metros em Encélado. A ideia é que dezenas desses saltadores possam se espalhar por terrenos alienígenas “com completa liberdade para viajar” onde robôs com rodas ficariam presos. De volta à Terra, futuros saltadores macios poderiam ajudar em missões de busca e resgate, pulando sobre rios, lama ou terreno instável que pararia robôs convencionais.

Robôs macios também estão encontrando trabalho na indústria e na agricultura. A NSF observa que eles podem se tornar ajudantes seguros em pisos de fábrica ou em fazendas, porque eles cedem se um humano está no caminho. Pesquisadores até construíram ganchos macios que pegam frutas delicadas sem amassá-las. A flexibilidade das máquinas macias significa que elas podem agir em lugares muito pequenos ou flexíveis para dispositivos rígidos.

No final, especialistas acreditam que a robótica macia mudará fundamentalmente muitos campos. Desde minhocas até trajes vestíveis e saltadores lunares, essa linha de pesquisa mostra como estudar criaturas pequenas pode gerar grandes saltos na tecnologia.