Quando se trata de coisas ultrarrápidas e leves, os robôs não se comparam aos insetos que saltam mais rápido e outras criaturas pequenas, mas poderosas.

Uma nova pesquisa pode ajudar a explicar por que a natureza ainda vence os robôs, e descreve como as máquinas podem assumir a liderança.

Pegue o camarão mantis esmagador, um pequeno crustáceo não muito maior que um polegar. Suas peças bucais em forma de martelo podem emitir golpes de 69 milhas por hora repetidamente mais de 100 vezes mais rápido do que um piscar de olhos para quebrar as cascas duras de caracóis.

Ou a despretensiosa formiga mandíbula:em uma partida de zero a 60, mesmo o dragster mais rápido teria pouca chance contra suas mandíbulas quebrando, que atingem velocidades de mais de 140 milhas por hora em menos de um milissegundo para prender suas presas.

Uma das acelerações mais rápidas conhecidas na Terra é a picada da hidra. Essas criaturas aquáticas de corpo mole se defendem com a ajuda de cápsulas ao longo de seus tentáculos que agem como balões pressurizados. Quando acionado, eles disparam uma enxurrada de lanças venenosas microscópicas que aceleram brevemente 100 vezes mais rápido do que uma bala.

Em um estudo a ser publicado em 27 de abril na revista Ciência , pesquisadores descrevem um novo modelo matemático que pode ajudar a explicar como esses e outros organismos minúsculos geram seus ataques poderosos, chomps, saltos e socos. O modelo também pode sugerir maneiras de projetar pequenos, robôs inspirados na natureza que se aproximam de suas contrapartes biológicas em termos de potência ou velocidade.

O segredo dos movimentos explosivos desses organismos não são músculos poderosos, mas, em vez disso, partes carregadas de mola que podem engatilhar e liberar como o arco de um arqueiro, disse Sheila Patek, professor associado de biologia na Duke University.

Tendões resistentes, porém flexíveis, cutículas e outras estruturas elásticas se esticam e se soltam como estilingues, impulsionando seus saltos e estalos.

Um inseto de pernas curtas chamado froghopper, por exemplo, tem uma estrutura semelhante a um arco chamada arco pleural que atua como uma mola. Saliências em forma de trava em suas pernas controlam sua liberação, permitindo que saltem mais de 100 vezes o comprimento do corpo, apesar de suas pernas curtas. Uma pessoa com tanto poder poderia pular quase dois campos de futebol.

Contudo, não está claro como esses mecanismos funcionam juntos para aumentar o poder, disse Mark Ilton, um pós-doutorado na Universidade de Massachusetts Amherst.

Embora os modelos matemáticos tradicionais de desempenho levem em consideração as compensações físicas inerentes aos músculos - que podem se contrair com força, ou rapidamente, mas não ambos - eles falham em levar em consideração as compensações inerentes às molas e também aos mecanismos do tipo trava. Em outras palavras, nada pode ser mais rápido, mais forte, e mais poderoso ao mesmo tempo.

"Até agora, esses outros componentes eram em sua maioria caixas-pretas, "Patek disse.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático de movimento rápido em pequenas escalas que incorpora restrições em molas e travas.

"Parte do nosso objetivo era tentar desenvolver um modelo que seja igualmente generalizável para sistemas biológicos ou de engenharia, "disse Manny Azizi, professor assistente de ecologia e biologia evolutiva na Universidade da Califórnia, Irvine, que estuda sapos saltadores.

Primeiro, eles compilaram dados sobre o tamanho, as velocidades máximas e as acelerações de 104 espécies de atletas de elite de plantas e animais. Eles compararam os dados com medições semelhantes para robôs em miniatura inspirados em movimentos ultrarrápidos, como o desenrolar de línguas camaleônicas, tirando armadilhas para mosca de Vênus e insetos saltitantes.

Ao incorporar as compensações de desempenho de molas e travas biológicas e sintéticas, os pesquisadores esperam entender melhor como variáveis ​​como a massa da mola, rigidez, a composição do material e a geometria da trava trabalham em conjunto com os músculos ou motores para influenciar o poder.

O modelo permite que os pesquisadores insiram um conjunto de mola, travamento e parâmetros musculares ou motores e obter detalhes sobre a velocidade máxima teórica de um indivíduo, aceleração, e outros aspectos do desempenho com um determinado peso.

O modelo tem implicações importantes para os engenheiros. Isso sugere que os robôs ainda não conseguem superar uma pulga em parte porque tão rápido, movimentos repetíveis exigem que os componentes sejam perfeitamente ajustados uns aos outros.

Mas o modelo oferece aos pesquisadores uma ferramenta para projetar pequenos, robôs velozes com componentes combinados com mais precisão que funcionam melhor juntos para melhorar o desempenho, disse Sarah Bergbreiter, um professor associado de engenharia mecânica da Universidade de Maryland que fabrica robôs saltadores do tamanho de uma formiga.

"Se você tem um robô de tamanho específico que deseja projetar, por exemplo, permitiria que você explorasse melhor que tipo de primavera você deseja, que tipo de motor você quer, que tipo de trava você precisa para obter o melhor desempenho nessa escala de tamanho, e entender as consequências dessas escolhas de design, "Bergbreiter disse.

Para biólogos, o modelo também pode ser usado para localizar os limites de peso superior e inferior de diferentes grupos de organismos movidos a mola, determinadas variáveis, como de quais materiais elásticos seus corpos são feitos, Disse Azizi.