Se você pedisse a alguém para citar uma nova tecnologia que surgiu do MIT no século 21, há uma boa chance de eles nomearem a chita robótica. Desenvolvido pelo Laboratório de Robótica Biomimética do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT sob a direção do Professor Associado Sangbae Kim, o quadrúpede MIT Cheetah ganhou as manchetes por seu andar dinâmico de pernas, Rapidez, habilidade de salto, e design biomimético.

O Cheetah II do tamanho de um cachorro pode correr em quatro pernas articuladas a até 6,4 metros por segundo, faça curvas suaves, e pular para uma altura de 60 centímetros. O robô também pode determinar autonomamente como evitar ou pular obstáculos.

Kim agora está desenvolvendo um robô de terceira geração, o Cheetah III. Em vez de melhorar a velocidade e as capacidades de salto do Cheetah, Kim está convertendo o Cheetah em um robô comercialmente viável com melhorias, como maior capacidade de carga útil, maior amplitude de movimento, e uma função de preensão hábil. O Cheetah III atuará inicialmente como um robô de inspeção espectral em ambientes perigosos, como uma usina nuclear comprometida ou uma fábrica de produtos químicos. Em seguida, ele evoluirá para atender a outras necessidades de resposta a emergências.

"O Cheetah II era focado em locomoção em alta velocidade e saltos ágeis, mas não foi projetado para realizar outras tarefas, "diz Kim." Com o Cheetah III, colocamos muitos requisitos práticos no design para que ele seja um jogador versátil. Ele pode fazer movimentos de alta velocidade e ações poderosas, mas também pode ser muito preciso. "

O Laboratório de Robótica Biomimética também está concluindo um projeto menor, versão simplificada do Cheetah, chamado de Mini Cheetah, projetado para pesquisa e educação em robótica. Outros projetos incluem um robô humanóide teleoperado chamado Hermes, que fornece feedback tátil para operadores humanos. Há também uma investigação em estágio inicial sobre a aplicação de tecnologia de atuador semelhante a Cheetah para lidar com os desafios de mobilidade entre deficientes e idosos.

Conquistando a mobilidade na terra

"Com o projeto Cheetah, Eu estava inicialmente motivado por copiar animais terrestres, mas também percebi que havia uma lacuna na mobilidade do solo, "diz Kim." Conquistamos o transporte aéreo e aquático, mas não conquistamos a mobilidade terrestre porque nossas tecnologias ainda dependem de estradas ou trilhos pavimentados artificialmente. Nenhuma de nossas tecnologias de transporte pode viajar com segurança sobre solo natural ou até mesmo em ambientes artificiais com escadas e meio-fio. Robôs com pernas dinâmicas podem nos ajudar a conquistar a mobilidade no solo. "

Um desafio com os sistemas de pernas é que eles "precisam de atuadores de alto torque, "diz Kim." Uma articulação do quadril humano pode gerar mais torque do que um carro esportivo, mas alcançar essa atuação condensada de alto torque em robôs é um grande desafio. "

Os robôs tendem a atingir alto torque em detrimento da velocidade e flexibilidade, disse Kim. Os robôs de fábrica usam atuadores de alto torque, mas eles são rígidos e não podem absorver energia com o impacto resultante da escalada de degraus. Alimentado hidraulicamente, robôs de pernas dinâmicos, como o maior, carga útil superior, Big Dog quadrúpede da Boston Dynamics, pode atingir força e potência muito altas, mas à custa da eficiência. "A eficiência é um problema sério com a hidráulica, especialmente quando você se move rápido, " ele adiciona.

Um dos principais objetivos do projeto Cheetah é criar atuadores que possam gerar alto torque em designs que imitam os músculos dos animais e, ao mesmo tempo, alcancem eficiência. Para conseguir isso, Kim optou por atuadores elétricos em vez de hidráulicos. "Nossos motores elétricos de alto torque excederam a eficiência dos animais com músculos biológicos, e são muito mais eficientes, mais barato, e mais rápido do que robôs hidráulicos, " ele diz.

Cheetah III:mais do que um speedster

Ao contrário das versões anteriores, o design do Cheetah III foi motivado mais por aplicações potenciais do que por pura pesquisa. Kim e sua equipe estudaram os requisitos para um robô de resposta a emergências e trabalharam de trás para frente.

“Acreditamos que o Cheetah III será capaz de navegar em uma usina com radiação em dois ou três anos, "diz Kim." Em cinco a 10 anos, deve ser capaz de fazer mais trabalho físico, como desmontar uma usina de energia, cortando pedaços e retirando-os. Em 15 a 20 anos, deve ser capaz de entrar no incêndio de um prédio e possivelmente salvar uma vida. "

Em situações como o desastre nuclear de Fukushima, robôs ou drones são a única escolha segura para reconhecimento. Os drones têm algumas vantagens sobre os robôs, mas eles não podem aplicar grandes forças necessárias para tarefas como abrir portas, e há muitas situações de desastre em que os destroços caídos proíbem o voo do drone.

Por comparação, o Cheetah III pode aplicar forças de nível humano ao meio ambiente por horas a fio. Muitas vezes pode escalar ou pular sobre escombros, ou até mesmo movê-lo para fora do caminho. Comparado a um drone, também é mais fácil para um robô inspecionar de perto a instrumentação, interruptores, e botões, disse Kim. "O Cheetah III pode medir temperaturas ou compostos químicos, ou feche e abra as válvulas. "

As vantagens sobre os robôs rastreados incluem a capacidade de manobrar sobre escombros e subir escadas. "As escadas são alguns dos maiores obstáculos para os robôs, "diz Kim." Achamos que robôs com pernas são melhores em ambientes feitos pelo homem, especialmente em situações de desastre onde há ainda mais obstáculos. "

O Cheetah III foi um pouco mais lento em comparação com o Cheetah II, mas também com maior força e flexibilidade. “Aumentamos o torque para que ele possa abrir as portas pesadas encontradas nas usinas, "diz Kim." Aumentamos a amplitude de movimento para 12 graus de liberdade usando 12 motores elétricos que podem articular o corpo e os membros. "

Isso ainda está muito aquém da flexibilidade dos animais, que tem mais de 600 músculos. Ainda, o Cheetah III pode compensar um pouco com outras técnicas. "Maximizamos o espaço de trabalho de cada junta para alcançar uma quantidade razoável de acessibilidade, "diz Kim.

O design pode até usar as pernas para manipulação. "Ao utilizar a flexibilidade dos membros, o Cheetah III pode abrir a porta com uma perna, "diz Kim." Ele pode se apoiar em três pernas e equipar o quarto membro com uma mão trocável personalizada para abrir a porta ou fechar uma válvula. "

O Cheetah III tem uma capacidade de carga útil aprimorada para transportar sensores e câmeras mais pesados, e possivelmente até mesmo para entregar suprimentos às vítimas deficientes. Contudo, está muito longe de ser capaz de resgatá-los. O Cheetah III ainda está limitado a uma carga útil de 20 quilos, e pode viajar sem amarras por quatro a cinco horas com uma carga útil mínima.

"Eventualmente, esperamos desenvolver uma máquina que possa resgatar uma pessoa, "diz Kim." Não temos certeza se o robô carregaria a vítima ou levaria um dispositivo de transporte, "ele diz." Nosso projeto atual pode pelo menos ver se há alguma vítima ou se há mais eventos potencialmente perigosos. "

Experimentando interação homem-robô

O semi-autônomo Cheetah III pode tomar decisões ambulatoriais e de navegação por conta própria. Contudo, para o trabalho de desastre, ele operará principalmente por controle remoto.

"Inspeção totalmente autônoma, especialmente em resposta a desastres, seria muito dificil, "diz Kim. Entre outras questões, a tomada de decisão autônoma muitas vezes leva tempo, e pode envolver tentativa e erro, o que pode atrasar a resposta.

"As pessoas controlarão o Cheetah III em alto nível, oferecendo assistência, mas não lidando com todos os detalhes, "diz Kim." As pessoas podem dizer para ele ir para um local específico no mapa, encontre este lugar, e abra essa porta. Quando se trata de ação manual ou manipulação, o humano terá mais controle e dirá ao robô qual ferramenta usar. "

Os humanos também podem ajudar com controles mais instintivos. Por exemplo, se a chita usar uma de suas pernas como braço e depois aplicar força, é difícil manter o equilíbrio. Kim agora está investigando se os operadores humanos podem usar "feedback equilibrado" para evitar que o Cheetah caia enquanto aplica força total.

"Mesmo em pé sobre duas ou três pernas, ainda seria capaz de realizar ações de alta força que requerem equilíbrio complexo, "diz Kim." O operador humano pode sentir o equilíbrio, e ajudar o robô a mudar seu ímpeto para gerar mais força para abrir ou martelar uma porta. "

O Laboratório de Robótica Biomimética está explorando feedback equilibrado com outro projeto de robô chamado Hermes (Mecanismos Robóticos Altamente Eficientes e Sistema Eletromecânico). Como o Cheetah III, é um totalmente articulado, Robô de pernas dinâmico projetado para resposta a desastres. Ainda, o Hermes é bípede, e completamente teleoperado por um humano que usa um capacete de telepresença e um traje completo. Como o Hermes, o traje é equipado com sensores e dispositivos de feedback tátil.

"O operador pode sentir a situação de equilíbrio e reagir usando o peso corporal ou implementando diretamente mais forças, "diz Kim.

A latência necessária para tal feedback íntimo em tempo real é difícil de alcançar com o Wi-Fi, mesmo quando não está bloqueado por paredes, distância, ou interferência sem fio. "Na maioria das situações de desastre, você precisaria de algum tipo de comunicação com fio, "diz Kim." Eventualmente, Acredito que usaremos fibras ópticas reforçadas. "

Melhorar a mobilidade para os idosos

Olhando além da resposta a desastres, Kim imagina um papel importante para o agile, robôs de pernas dinâmicos na área da saúde:melhorando a mobilidade da população idosa em rápido crescimento. Numerosos projetos de robótica têm como alvo o mercado de idosos com robôs sociais tagarelas. Kim está imaginando algo mais fundamental.

"Ainda não temos uma tecnologia que possa ajudar pessoas com deficiência ou idosos a irem perfeitamente da cama para a cadeira de rodas, para o carro e vice-versa, "diz Kim." Muitos idosos têm problemas para sair da cama e subir escadas. Alguns idosos com problemas nas articulações do joelho, por exemplo, ainda são bastante móveis em terreno plano, mas não pode descer as escadas sem ajuda. É uma pequena fração do dia em que precisam de ajuda. Portanto, estamos procurando por algo que seja leve e fácil de usar para ajudar em um curto período de tempo. "

Kim está atualmente trabalhando na "criação de uma tecnologia que possa tornar o atuador seguro, "ele diz." Os atuadores elétricos que usamos no Cheetah já são mais seguros do que outras máquinas porque podem absorver energia facilmente. A maioria dos robôs são rígidos, o que causaria muitas forças de impacto. Nossas máquinas cedem um pouco. "

Ao combinar essa tecnologia de atuador segura com algumas das tecnologias Hermes, Kim espera desenvolver um robô que possa ajudar idosos no futuro. "Os robôs não podem apenas resolver a esperada escassez de mão de obra para idosos, mas também a necessidade de manter a privacidade e dignidade, " ele diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.