As aeronaves comerciais de hoje são normalmente fabricadas em seções, muitas vezes em locais diferentes - asas em uma fábrica, seções da fuselagem em outro, os componentes da cauda em outro lugar - e depois voados para uma fábrica central em enormes aviões de carga para a montagem final.

Mas e se a montagem final fosse a única montagem, com todo o avião construído a partir de uma grande variedade de minúsculas peças idênticas, todos juntos por um exército de minúsculos robôs?

Essa é a visão que o estudante de graduação Benjamin Jenett, trabalhando com o professor Neil Gershenfeld no Center for Bits and Atoms (CBA) do MIT, tem prosseguido como seu trabalho de tese de doutorado. Agora chegou ao ponto em que versões de protótipo de tais robôs podem montar pequenas estruturas e até mesmo trabalhar em equipe para construir conjuntos maiores.

O novo trabalho aparece na edição de outubro da IEEE Robotics and Automation Letters, em um artigo de Jenett, Gershenfeld, colega de pós-graduação Amira Abdel-Rahman, e ex-aluno do CBA Kenneth Cheung SM '07, Ph.D. '12, que está agora no Ames Research Center da NASA, onde lidera o projeto ARMADAS para projetar uma base lunar que poderia ser construída com montagem robótica.

"Este artigo é uma delícia, "diz Aaron Becker, professor associado de engenharia elétrica e da computação na Universidade de Houston, que não estava associado a este trabalho. "Ele combina um design mecânico de alto nível com demonstrações de cair o queixo, novo hardware robótico, e um pacote de simulação com mais de 100, 000 elementos, " ele diz.

"O que está no cerne disso é um novo tipo de robótica, que chamamos de robôs relativos, "Gershenfeld diz. Historicamente, ele explica, houve duas grandes categorias de robótica - aquelas feitas de componentes personalizados caros que são cuidadosamente otimizados para aplicações específicas, como montagem de fábrica, e aqueles feitos de módulos baratos produzidos em massa com desempenho muito inferior. Os novos robôs, Contudo, são uma alternativa para ambos. Eles são muito mais simples do que os anteriores, embora muito mais capaz do que o último, e eles têm o potencial de revolucionar a produção de sistemas em grande escala, de aviões a pontes e edifícios inteiros.

De acordo com Gershenfeld, a principal diferença está na relação entre o dispositivo robótico e os materiais que ele manuseia e manipula. Com esses novos tipos de robôs, "você não pode separar o robô da estrutura - eles trabalham juntos como um sistema, "diz ele. Por exemplo, enquanto a maioria dos robôs móveis requerem sistemas de navegação altamente precisos para manter o controle de sua posição, os novos robôs montadores só precisam manter o controle de onde estão em relação às pequenas subunidades, chamados voxels, que eles estão trabalhando atualmente. Cada vez que o robô dá um passo para o próximo voxel, ele reajusta seu senso de posição, sempre em relação aos componentes específicos em que se encontra no momento.

A visão subjacente é que, assim como as imagens mais complexas podem ser reproduzidas usando uma matriz de pixels em uma tela, praticamente qualquer objeto físico pode ser recriado como uma matriz de peças tridimensionais menores, ou voxels, que podem ser constituídos por nós e suportes simples. A equipe mostrou que esses componentes simples podem ser organizados para distribuir cargas com eficiência; eles são em grande parte compostos de espaço aberto para que o peso geral da estrutura seja minimizado. As unidades podem ser recolhidas e colocadas lado a lado pelos simples montadores, e, em seguida, fixados juntos usando sistemas de travamento embutidos em cada voxel.

Os próprios robôs se assemelham a um pequeno braço, com dois longos segmentos articulados no meio, e dispositivos para fixação nas estruturas de voxel em cada extremidade. Os dispositivos simples se movem como minhocas, avançando ao longo de uma linha de voxels, abrindo e fechando repetidamente seus corpos em forma de V para passar de um para o outro. Jenett apelidou os pequenos robôs de BILL-E (um aceno para o robô do filme WALL-E), que significa Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer.

Jenett construiu várias versões dos montadores como projetos de prova de conceito, junto com designs de voxel correspondentes com mecanismos de travamento para conectar ou desconectar facilmente cada um de seus vizinhos. Ele usou esses protótipos para demonstrar a montagem dos blocos em linear, bidimensional, e estruturas tridimensionais. "Não estamos colocando a precisão no robô; a precisão vem da estrutura" à medida que toma forma gradualmente, Jenett diz. "Isso é diferente de todos os outros robôs. Ele só precisa saber onde está o próximo passo."

Enquanto trabalha na montagem das peças, cada um dos minúsculos robôs pode contar seus passos ao longo da estrutura, diz Gershenfeld, quem é o diretor da CBA. Junto com a navegação, isso permite que os robôs corrijam erros em cada etapa, eliminando a maior parte da complexidade dos sistemas robóticos típicos, ele diz. "Está faltando a maioria dos sistemas de controle usuais, mas contanto que não perca um passo, sabe onde está. "Para aplicações práticas de montagem, enxames dessas unidades podem estar trabalhando juntos para acelerar o processo, graças ao software de controle desenvolvido por Abdel-Rahman que pode permitir que os robôs coordenem seu trabalho e evitem se atrapalhar.

Este tipo de montagem de grandes estruturas de subunidades idênticas usando um sistema robótico simples, muito parecido com uma criança montando um grande castelo com blocos de LEGO, já atraiu o interesse de alguns grandes usuários em potencial, incluindo NASA, Colaborador do MIT nesta pesquisa, e a empresa aeroespacial europeia Airbus SE, que também ajudou a patrocinar o estudo.

Uma vantagem dessa montagem é que os reparos e a manutenção podem ser feitos facilmente pelo mesmo tipo de processo robótico da montagem inicial. As seções danificadas podem ser desmontadas da estrutura e substituídas por novas, produzindo uma estrutura tão robusta quanto a original. "Não construir é tão importante quanto construir, "Gershenfeld diz, e este processo também pode ser usado para fazer modificações ou melhorias no sistema ao longo do tempo.

"Para uma estação espacial ou um habitat lunar, esses robôs viveriam na estrutura, mantendo e reparando continuamente, "diz Jenett.

Em última análise, tais sistemas podem ser usados ​​para construir edifícios inteiros, especialmente em ambientes difíceis, como no espaço, ou na lua ou Marte, Gershenfeld diz. Isso poderia eliminar a necessidade de enviar grandes estruturas pré-montadas da Terra. Em vez disso, poderia ser possível enviar grandes lotes de pequenas subunidades - ou formá-los a partir de materiais locais usando sistemas que poderiam produzir essas subunidades em seu ponto de destino final. "Se você pode fazer um jato jumbo, você pode fazer uma construção, "Gershenfeld diz.

Sandor Fekete, diretor do Instituto de Sistemas Operacionais e Redes de Computadores da Universidade Técnica de Braunschweig, Na Alemanha, que não estava envolvido neste trabalho, diz "Ultraleve, materiais digitais como [estes] abrem perspectivas incríveis para a construção eficiente, complexo, estruturas de grande escala, que são de vital importância nas aplicações aeroespaciais. "

Mas montar esses sistemas é um desafio, diz Fekete, que planeja se juntar à equipe de pesquisa para um maior desenvolvimento dos sistemas de controle. "É aqui que o uso de robôs pequenos e simples promete fornecer o próximo avanço:os robôs não ficam cansados ​​ou entediados, e usar muitos robôs em miniatura parece ser a única maneira de realizar esse trabalho crítico. Este trabalho extremamente original e inteligente de Ben Jennet e colaboradores dá um salto gigante em direção à construção de asas de avião ajustáveis ​​dinamicamente, enormes velas solares ou mesmo habitats espaciais reconfiguráveis. "

No processo, Gershenfeld diz, "sentimos que estamos descobrindo um novo campo de sistemas híbridos de material-robô."

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.