Ao longo das margens de rios desenvolvidos, barreiras físicas podem ajudar a conter enchentes e combater a erosão. Em regiões áridas, A verificação de represas pode ajudar a reter o solo após as chuvas e restaurar paisagens danificadas. Em projetos de construção, placas de metal podem fornecer suporte para escavações, paredes de contenção em encostas, ou fundações permanentes. Todas essas aplicações podem ser tratadas com o uso de estacas-pranchas, elementos dobrados em material plano e cravados verticalmente no solo para formar paredes e estabilizar o solo. A estabilização adequada do solo é fundamental para a gestão sustentável da terra em indústrias como a construção, mineração, e agricultura; e degradação da terra, a perda de serviços ecossistêmicos de um determinado terreno, é um impulsionador das mudanças climáticas e tem um custo estimado de até US $ 10 trilhões por ano.

Com esta motivação, uma equipe de roboticistas do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard desenvolveu um robô que pode conduzir de forma autônoma estacas-pranchas de aço entrelaçadas no solo. As estruturas que ele constrói podem funcionar como muros de contenção ou como barragens de controle de erosão. O estudo será apresentado na próxima Conferência Internacional IEEE 2019 sobre Robótica e Automação.

Os processos convencionais de cravação de estacas-prancha consomem muita energia. Apenas uma fração do peso de uma máquina pesada típica é usada para aplicar força para baixo. O robô "Romu" da equipe de Wyss, por outro lado, é capaz de alavancar seu próprio peso para cravar as estacas-pranchas no solo. Isso é possível porque cada uma de suas quatro rodas é acoplada a um atuador linear separado, o que também permite que ele se adapte a terrenos irregulares e garanta que as estacas sejam cravadas verticalmente. De uma posição elevada, Romu agarra uma pilha de pranchas e, em seguida, abaixa seu chassi, pressionando a pilha no solo com a ajuda de um martelo vibratório de bordo. Ao agarrar a pilha novamente em uma posição superior e repetir este processo, o robô pode conduzir uma pilha muito mais alta do que sua própria amplitude de movimento vertical. Depois de cravar uma pilha em profundidade suficiente, Romu avança e instala a próxima pilha de forma que ela se encaixe na anterior, formando assim uma parede contínua. Depois de usar todas as pilhas que carrega, ele pode retornar a um cache de suprimentos para reabastecimento.

O estudo surgiu de trabalhos anteriores no Wyss Institute em equipes ou enxames de robôs para aplicações de construção. Em um trabalho inspirado em cupins que constroem montículos, O membro do corpo docente central Radhika Nagpal e o cientista pesquisador sênior Justin Werfel projetaram uma equipe de construção robótica autônoma chamada TERMES, cujos membros trabalharam juntos para construir estruturas complexas de tijolos especializados. Trabalhos adicionais de Werfel e do pesquisador Nathan Melenbrink exploraram robôs escaladores de escoras capazes de construir estruturas de treliça em balanço, abordando aplicativos como pontes. Contudo, nenhum desses estudos abordou o desafio de ancorar estruturas ao solo. O projeto Romu começou como uma exploração de métodos para preparação automatizada do local e instalação de fundações para os sistemas anteriores se basearem; conforme se desenvolveu, a equipe determinou que tais intervenções também poderiam ser diretamente aplicáveis ​​a tarefas de restauração de terras em ambientes remotos.

“Além dos testes de laboratório, demonstramos Romu operando em uma praia próxima, "disse Melenbrink." Este tipo de demonstração pode ser um quebra-gelo para uma conversa mais ampla sobre as oportunidades de automação na construção e gestão de terras. Estamos interessados ​​em nos envolver com especialistas em áreas relacionadas que podem ver benefícios potenciais para o tipo de intervenções automatizadas que estamos desenvolvendo. "

Os pesquisadores imaginam um grande número de robôs Romu trabalhando juntos como um coletivo ou enxame. Eles demonstraram em simulações de computador que equipes de robôs Romu poderiam fazer uso de pistas ambientais, como declividade, a fim de construir paredes em locais eficazes, fazendo uso eficiente de recursos limitados. "A abordagem de enxame oferece vantagens como aceleração por meio de paralelismo, robustez à perda de robôs individuais, e escalabilidade para grandes equipes, "disse Werfel." Ao responder em tempo real às condições que eles realmente encontram enquanto trabalham, os robôs podem se adaptar a situações inesperadas ou variáveis, sem precisar contar com muita infraestrutura de suporte para habilidades como levantamento de sites, comunicação, ou localização. "

"O nome Terramanus ferromurus (Romu) é uma referência ao conceito de 'ecologia da máquina', em que sistemas autônomos podem ser introduzidos em ambientes naturais como novos participantes, tomar ações específicas para complementar e promover a gestão ambiental humana, "disse Melenbrink. No futuro, o "gênero" Terramanus poderia ser estendido por robôs adicionais realizando diferentes tarefas para proteger ou restaurar os serviços do ecossistema. Com base em suas descobertas, a equipe agora está interessada em investigar intervenções que vão desde estruturas de retenção de água subterrânea para apoiar a agricultura em regiões áridas, à construção de barreira contra inundações responsiva para preparação para furacões. Versões futuras do robô podem realizar outras intervenções, como pulverizar agentes de ligação ao solo ou instalar cercas de lodo, de forma que uma família desses robôs poderia atuar para estabilizar o solo em uma ampla gama de situações.

Em muitos cenários de proteção ou restauração ambiental, a oportunidade de ação é limitada pela disponibilidade de mão de obra humana e pelo acesso ao local para máquinas pesadas. Menor, máquinas de construção mais versáteis podem fornecer uma solução. "Claramente, the needs of many degraded landscapes are not being met with the currently available tools and techniques, " said Melenbrink. "Now, 100 years after the dawn of the heavy equipment age, we're asking whether there might be more resilient and responsive ways to approach land management and restoration."

"This sheet pile driving robot with its demonstrated ability to perform in a natural setting signals a path on which the Wyss Institute's robotics and swarm robotics capabilities can be brought to bear on both natural and man-made environments where conventional machinery, man power limitations, or cost is inadequate to prevent often disastrous consequences. This robot also could address disaster situations where walling off dangerous chemical spills or released radioactive fluids makes it difficult or impossible for humans to intervene, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia no SEAS.