A questão pode ser a versão do século XXI da fábula da tartaruga e da lebre:quem venceria uma corrida entre um robô e um animal?



Em um artigo de nova perspectiva, uma equipe de engenheiros dos Estados Unidos e do Canadá, incluindo Kaushik Jayaram, roboticista da Universidade do Colorado em Boulder, decidiu responder a esse enigma. O grupo analisou dados de dezenas de estudos e chegou a um sonoro “não”. Em quase todos os casos, os organismos biológicos, como as chitas, as baratas e até os humanos, parecem ser capazes de ultrapassar os seus homólogos robôs.

Os pesquisadores, liderados por Samuel Burden, da Universidade de Washington, e Maxwell Donelan, da Universidade Simon Fraser, publicaram suas descobertas na semana passada na revista Science Robotics. .

“Como engenheiro, é meio perturbador”, disse Jayaram, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica Paul M. Rady da CU Boulder. “Ao longo de 200 anos de intensa engenharia, conseguimos enviar naves espaciais à Lua e a Marte e muito mais. Mas é confuso que ainda não tenhamos robôs que sejam significativamente melhores do que os sistemas biológicos na locomoção em ambientes naturais.”

Ele espera que o estudo inspire os engenheiros a aprender como construir robôs mais adaptáveis ​​e ágeis. Os pesquisadores concluíram que o fracasso dos robôs em ultrapassar os animais não se resume a deficiências em qualquer peça de maquinaria, como baterias ou atuadores. Em vez disso, onde os engenheiros podem falhar é em fazer com que essas peças funcionem juntas de forma eficiente.

Essa busca é uma das principais paixões de Jayaram. Seu laboratório no campus da CU Boulder é o lar de muitos rastejadores assustadores, incluindo várias aranhas-lobo peludas que custam cerca de meio dólar.

“As aranhas-lobo são caçadoras naturais”, disse Jayaram. “Eles vivem sob as rochas e podem correr em terrenos complexos com uma velocidade incrível para capturar suas presas”.

Ele imagina um mundo em que os engenheiros constroem robôs que funcionam um pouco mais como esses extraordinários aracnídeos.

“Os animais são, em certo sentido, a personificação deste princípio de design definitivo – um sistema que funciona muito bem em conjunto”, disse ele.

Energia da barata

A questão de “quem consegue correr melhor, animais ou robôs?” é complicado porque a execução em si é complicada.

Em pesquisas anteriores, Jayaram e seus colegas da Universidade de Harvard projetaram uma linha de robôs que procuram imitar o comportamento da tão insultada barata. O modelo HAMR-Jr da equipe cabe em cima de uma moeda e corre a velocidades equivalentes à de uma chita. Mas, observou Jayaram, embora o HAMR-Jr possa fazer movimentos para frente e para trás, ele não se move tão bem de um lado para o outro ou em terrenos acidentados. As baratas humildes, por outro lado, não têm dificuldade em passar por superfícies que vão desde porcelana até sujeira e cascalho. Eles também podem subir paredes e passar por pequenas rachaduras.

Para compreender por que razão tal versatilidade continua a ser um desafio para os robôs, os autores do novo estudo dividiram estas máquinas em cinco subsistemas, incluindo potência, estrutura, atuação, detecção e controlo. Para surpresa do grupo, poucos desses subsistemas pareciam ficar aquém dos seus equivalentes nos animais.

Baterias de íons de lítio de alta qualidade, por exemplo, podem fornecer até 10 quilowatts de energia para cada quilograma (2,2 libras) que pesam. O tecido animal, por outro lado, produz cerca de um décimo disso. Enquanto isso, os músculos não chegam nem perto de igualar o torque absoluto de muitos motores.

“Mas no nível do sistema, os robôs não são tão bons”, disse Jayaram. "Enfrentamos compromissos inerentes ao design. Se tentarmos otimizar uma coisa, como a velocidade de avanço, poderemos perder outra coisa, como a capacidade de virar."

Sentidos de aranha

Então, como podem os engenheiros construir robôs que, tal como os animais, sejam mais do que apenas a soma das suas partes?

Os animais, observou Jayaram, não são divididos em subsistemas separados da mesma forma que os robôs. Seu quadríceps, por exemplo, impulsiona suas pernas como os atuadores do HAMR-Jr movem seus membros. Mas os quadríceps também produzem seu próprio poder, quebrando gorduras e açúcares e incorporando neurônios que podem sentir dor e pressão.

Jayaram acredita que o futuro da robótica pode se resumir a “subunidades funcionais” que fazem a mesma coisa:em vez de manter as fontes de energia separadas dos motores e placas de circuito, por que não integrá-las todas em uma única peça? Em um artigo de 2015, o cientista da computação da CU Boulder, Nikolaus Correll, que não esteve envolvido no estudo atual, propôs tais “materiais robóticos” teóricos que funcionam mais como seus quadríceps.

Os engenheiros ainda estão muito longe de atingir esse objetivo. Alguns, como Jayaram, estão dando passos nessa direção, como por meio do robô Compliant Legged Articulated Robotic Insect (CLARI) de seu laboratório, um robô com várias pernas que se move um pouco como uma aranha. Jayaram explicou que o CLARI conta com um design modular, no qual cada uma de suas pernas atua como um robô independente com seu próprio motor, sensores e circuitos de controle. A versão nova e melhorada da equipe, chamada mCLARI, pode se mover em todas as direções em espaços confinados, uma novidade para robôs de quatro patas.

É mais uma coisa que engenheiros como Jayaram podem aprender com aqueles caçadores perfeitos, as aranhas-lobo.

"A natureza é uma professora realmente útil."

Mais informações: Samuel A. Burden et al, Por que os animais podem superar os robôs, Science Robotics (2024). DOI:10.1126/scirobotics.adi9754
Informações do diário: Ciência Robótica

Fornecido pela Universidade do Colorado em Boulder