As sociedades modernas contam com a tecnologia da robótica para realizar uma vasta gama de funções vitais para o bom funcionamento dos sistemas de manufatura industrial, bem como para outros setores como construção, saúde e transporte.

Contudo, uma limitação importante da maioria dos robôs é o fato de que eles só são capazes de realizar uma tarefa repetitiva, como pegar um item de uma caixa e colocá-lo em uma esteira transportadora ou fazer orifícios de acordo com um padrão predefinido.

Em reconhecimento a esta limitação, pesquisadores no campo emergente da robótica adaptativa estão focando sua atenção em como os robôs podem se tornar mais adaptáveis ​​- e usando princípios de engenharia mecânica para criar dispositivos de ponta capazes de se reconfigurar para realizar uma série de funções diferentes. Por exemplo, um drone multifuncional usado para inspecionar a infraestrutura de energia como plataformas de petróleo offshore ou turbinas eólicas pode ser equipado com tecnologia de fixação que permite que ele se empoleire em estruturas e conduza análises mais detalhadas em ventos fortes, bem como recursos de impermeabilização e tecnologia de propulsão que permite realizar inspeções de fundação abaixo da superfície do oceano.

Então, quais tecnologias e técnicas de engenharia mecânica estão sendo usadas como parte deste trabalho? Quais são as principais aplicações atuais e potenciais da robótica adaptativa? E que inovações e tendências no uso de sistemas de engenharia mecânica para tecnologias de robótica adaptativa podemos esperar nos próximos anos?

Reconfiguraçao

Uma das iniciativas recentes mais interessantes nesta área é a Colorado State University (CSU), onde uma equipe de pesquisadores criou uma série de pequenas, robôs leves que são capazes de se reconfigurar em resposta a diferentes requisitos do usuário. Como líder do projeto, Dr. Jianguo Zhao, professor assistente no Laboratório de Robótica Adaptativa da CSU, explica, seu trabalho nesta área se enquadra em três categorias principais, dependendo das forças de acionamento empregadas.

O primeiro é a reconfiguração por músculos artificiais, que envolve uma investigação de como alavancar um músculo artificial de baixo custo feito de linhas de costura domésticas para transformar a forma de um determinado robô. Isso resultou na criação de um link que pode se mover e se manter em outra forma sem entrada de energia adicional.

A segunda categoria de trabalho explora como aproveitar materiais com rigidez variável para reconfigurar as funções de um determinado robô - como parte do qual, Ph.D. O aluno Jiefeng Sun construiu um robô de caminhada adaptável que pode realizar várias trajetórias de perna.

A terceira categoria investiga como novos mecanismos passivos podem ser usados ​​para permitir que robôs voadores se empoleirem nas paredes, linhas de energia ou tetos - como parte dos quais, Ph.D. o aluno Haijie Zhang desenvolveu um robô equipado com uma garra passiva e compatível.

Para habilitar esses robôs adaptáveis, Zhao revela que adotou uma gama de tecnologias de engenharia mecânica de ponta, incluindo mecanismo e design de máquina, design auxiliado por computador, manufatura aditiva (impressão 3-D), modelagem cinemática e dinâmica, análise de elementos finitos e mecatrônica. Um exemplo é um robô ambulante em miniatura, que a equipe criou usando impressão 3D multimaterial, uma tecnologia capaz de imprimir materiais macios e rígidos em uma única peça.

"Neste robô, usamos o material macio para servir como juntas rotacionais compatíveis e o material rígido para servir como elos. Nesse caso, podemos imprimir o corpo e as quatro pernas do robô como uma peça única sem montagem, " ele diz.

"Além disso, a fim de analisar o comportamento de tal robô, estabelecemos os modelos cinemáticos e dinâmicos para prever as trajetórias das pernas e os comparamos com os resultados experimentais. Finalmente, usamos um sistema embarcado com microcontroladores e comunicações sem fio para controlar o robô. "

Na visão de Zhao, robôs pequenos desse tipo têm muitas vantagens em comparação com robôs maiores e mais pesados. Por exemplo, eles são capazes de acessar e navegar em ambientes estreitos ou apertados em que grandes robôs não podem entrar. De acordo com ele, eles também podem ser fabricados a custos muito mais baixos usando manufatura aditiva.

Apesar dessas vantagens claras, Zhao admite que robôs menores geralmente acham mais difícil se locomover em muitos ambientes. Para endereçar isto, ele diz que é melhor equipá-los com "múltiplas capacidades de locomoção", como caminhar, rastejando, pulando ou voando, usando um mecanismo especializado para cada função.

"Contudo, é um desafio empacotar vários mecanismos especializados com atuações separadas em um tamanho pequeno - e a detecção, computação e controle também são mais exigentes. Nesse caso, em vez de um mecanismo especializado para cada função, uma nova solução é permitir que robôs adaptáveis ​​possam se reconfigurar em resposta a uma necessidade, " ele diz.

Clique besouros

Em outro lugar, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois está conduzindo pesquisas inovadoras sobre o movimento dos besouros click em uma tentativa de inspirar robôs mais ágeis e adaptáveis. Como parte deste trabalho, a equipe usou raios-X síncrotron na fonte avançada de prótons no Laboratório Nacional de Argonne para investigar o mecanismo interno de trava - ou liberação rápida - do inseto e demonstrou como uma combinação de morfologia de dobradiça e mecânica facilita um mecanismo de clique exclusivo.

Como Aimy Wissa, professor assistente no departamento de ciência mecânica e engenharia e chefe do Laboratório de Morfologia Adaptativa Bioinspirada na Universidade de Illinois Urbana-Champaign, explica, a pesquisa baseia-se no trabalho que explora o mecanismo de salto autorretrilhante sem pernas dos besouros click. Como parte deste exercício, a equipe construiu protótipos de um dispositivo com mola em forma de dobradiça que está sendo incorporado a um robô.

Em vez de depender de suas pernas, os besouros clicadores saltam flexionando o corpo inteiro enquanto estão em uma posição invertida. Durante esta fase, apelidado de 'flexão do corpo, "o inseto armazena energia antes de liberá-la em um salto quase vertical - uma ação que também ajuda o besouro a se corrigir se cair em uma posição invertida. Ao investigar a física do salto da criatura, a equipe de Illinois foi capaz de desenvolver um robô autônomo de autocorreção - enfocando em particular as leis de escala entre as espécies de besouro e a influência da proporção de massa do inseto em seu salto.

"Rapidamente percebemos que os besouros click pertencem a uma classe de organismos que usam estratégias de movimento com 'potência amplificada' - eles usam elementos de armazenamento elástico para armazenar energia e liberá-la em uma taxa muito mais rápida do que os músculos. Fiquei interessado na possibilidade de usar tais estratégias de atuação para projetar pequenos robôs que são mais ágeis, pode se recuperar de quedas, e são capazes de manobras rápidas, "diz Wissa.

Filmando besouros com câmeras de alta velocidade, a equipe de Illinois descobriu que seu salto pode ser dividido em três fases:a fase de pré-salto, o estágio de decolagem e o estágio de vôo. Como parte do estágio pré-salto, o inseto curva seu corpo e mantém a posição por fricção enquanto armazena energia. Ainda em contato com o solo, ele começa a liberar energia durante a fase de decolagem, impulsionando seu centro de massa para cima. Durante o estágio subsequente no ar, ele dá uma cambalhota no ar - traçando uma trajetória geral que segue um movimento balístico conforme as unidades separadas do corpo giram em torno do centro de massa. Usando dados de vídeos de besouros ao vivo, Wissa e sua equipe também desenvolveram dois modelos dinâmicos da fase de decolagem e da fase aerotransportada.

Durante a fase de decolagem, a criatura também foi modelada como um mecanismo de manivela deslizante que é acionado no ponto de dobradiça - e a dinâmica Lagrangiana foi usada como parte de um modelo preliminar de duas massas para simular o movimento de rotação e translação observado pelo inseto enquanto estava no ar.

"Essas estratégias de locomoção são úteis como inspiração para novas técnicas de atuação para aplicações como robótica e agricultura, "diz Wissa.

"À medida que os robôs se tornam onipresentes em nossas vidas diárias, eles serão obrigados a se tornarem adaptáveis ​​à missão. A mesma plataforma será necessária para desempenhar funções diferentes. Por exemplo, o mesmo UAV [veículo aéreo não tripulado, ou drone] será necessário para transportar carga útil, evite obstáculos, fique no ar por mais tempo, e realizar várias manobras. Portanto, estruturas adaptativas, ou estruturas que podem adaptar sua forma e função a diferentes estimulantes, se tornará mais crítico nos próximos anos, " Ela adiciona.

Robôs multifuncionais

Zhao prevê que pequenos robôs adaptativos terão muitas aplicações promissoras, variando de "monitoramento ambiental e vigilância militar, para busca e resgate em áreas de desastre. "Ele também espera que o tamanho pequeno possibilite produção econômica e de baixo custo, abrindo a possibilidade de implantá-los para aplicações de nichos específicos e "formar redes de sensores móveis automaticamente e trabalhar de forma colaborativa para realizar determinadas tarefas".

Mesmo assim, Zhao enfatiza que dois desafios principais devem ser superados para habilitar robôs adaptáveis. Em primeiro lugar, os processos de reconfiguração precisam ser acelerados para alcançar o que ele descreve como "reconfiguração em tempo real". O processo de reconfiguração para os robôs CSU normalmente leva vários minutos para ser concluído porque a equipe precisa aquecer e resfriar os componentes usados ​​para a reconfiguração. Este é um problema porque, em alguns aplicativos, como a transformação de asas para robôs voadores, as asas precisam mudar de forma em tempo real para lidar com as diversas situações aerodinâmicas.

Em segundo lugar, Zhao diz que os pesquisadores "ainda precisam estabelecer uma estrutura fundamental e teórica para robôs adaptativos ... se quisermos realizar várias configurações desejadas, como devemos projetar adequadamente o robô, bem como especificar a estratégia de reconfiguração? Não há uma resposta clara para essa pergunta de alto nível. "

Em um esforço para enfrentar o primeiro desafio, Zhao explica que os pesquisadores podem aproveitar novos materiais que requerem menos energia para alterar a rigidez, como ligas de baixo ponto de fusão, que mudam de um estado rígido para um estado macio em temperaturas mais baixas. Para enfrentar o segundo desafio, ele revela que os acadêmicos podem desenvolver estruturas teóricas para prever todas as reconfigurações possíveis para um determinado projeto, e, em seguida, "aproveite as simulações computacionais para sintetizar um projeto e obter as configurações desejadas".

"Olhando para o futuro, Acho que seremos capazes de realizar robôs adaptáveis ​​que podem ter todos os tipos de recursos, como caminhar, vôo, nadando ou escalando, Nos próximos anos. Isso pode ser alcançado explorando as vastas opções de materiais digitais oferecidos pela impressão 3-D para serem usados ​​na fabricação de robôs adaptativos e a miniaturização de vários componentes mecatrônicos - por exemplo, sensores, atuadores e microcontroladores, bem como simulações de alta fidelidade de sistemas mecânicos com materiais heterogêneos, especialmente para robôs macios feitos de materiais macios, " ele adiciona.