Uma técnica desenvolvida por pesquisadores do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETHZ), na Suíça, em parceria com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, permitiu, pela primeira vez, a impressão de uma mão robótica com ossos, ligamentos e tendões constituídos de diferentes polímeros de uma só vez. A abordagem ainda permitiu imprimir manipuladores ambulantes acionados com compressão de ar, bombas que imitam um coração e estruturas de metamateriais. A ideia é que, no futuro, a solução tecnológica permita a criação de robôs mais complexos.
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Conhecida como jateamento controlado por visão, a tecnologia utiliza quatro câmeras de alta taxa de quadros e dois lasers que escaneiam rápida e continuamente a superfície de impressão, ajustando a quantidade de resina que cada bico deposita em tempo real. As câmeras capturam imagens enquanto milhares de bicos depositam minúsculas gotas de resina.
Robert Katzschmann, primeiro autor do estudo, destaca que o mecanismo de varredura superficial da tecnologia é altamente preciso para analisar cada camada depositada na impressão. "As flutuações na altura informam os ajustes para imprimir a próxima camada. Com o tempo, esse mecanismo de feedback mantém, em média, o nível da superfície e, portanto, elimina a necessidade de um dispositivo de nivelamento mecânico", afirma.
Com o sistema, a equipe imprimiu materiais à base de tiol, que tem cura mais lenta do que os acrílicos usados na impressão 3D, são mais elásticos e não quebram tão facilmente quanto os materiais tradicionais. Eles também tendem a ser mais estáveis em uma ampla faixa de temperaturas e não se degradam tão rapidamente quando expostos à luz solar, segundo os autores do artigo.
Katzschmann relata que, anteriormente, apenas produtos químicos de cura rápida (acrilatos) podiam ser impressos. Agora, com a tecnologia de impressão sem contato, a equipe pode usar outros materiais no processo de cura lenta para produzir polímeros com propriedades mais desejáveis. "A cura lenta significa que o processo de polimerização pode levar algum tempo para construir, por exemplo, uma viscoelasticidade desejável ou estabilidade às intempéries", explica.
O pesquisador destaca que o principal desafio do estudo foi projetar um processo que funcionasse sem contato, por exigir digitalização de superfície em alta velocidade. "Outro desafio foi encontrar as formulações de materiais e parâmetros de impressão apropriados para fazer impressões multimateriais funcionais com a nova tecnologia. Também crucial foi o design dos próprios robôs para ajustar a funcionalidade do sistema", relata Katzschmann.
A equipe utilizou o sistema de fabricação sem contato para criar uma mão robótica acionada por tendão, a partir de dados obtidos pela ressonância magnética de uma mão humana. A peça também foi equipada com sensores de contato nas pontas dos dedos e na palma. Os pesquisadores também imprimiram um robô ambulante que se locomove com seis pernas e manipula objetos, uma bomba fluídica com válvulas integradas inspiradas em um coração de um mamífero e estruturas metamateriais formadas por combinações complexas. Como resultado, os cientistas concluem que o projeto permite alto rendimento de impressão independente da estrutura a ser impressa.
Potencial
Zilda de Castro Silveira, professora do Departamento de Engenharia Mecânica (EESC) da Universidade de São Paulo (USP) explica que os multimateriais apresentam melhores propriedades ópticas, térmicas e flexibilidade, possibilitando a impressão de objetos mais funcionais e duradouros, o que pode beneficiar diversas áreas de estudo.
"O uso de multimateriais tem sido utilizado na área médica, como forma didática de visualização de elementos biológicos, como órgãos e tecidos, para planejamento cirúrgico, além de bens de consumo personalizados. Áreas eletrônicas, aeroespaciais, automotivas, acústicas, educacionais também se beneficiam", exemplifica Silveira.
Também professor no EESC da USP, Marcelo Becker avalia que o projeto pode facilitar a impressão de robôs com capacidades estruturais mais semelhantes às humanas, conseguindo executar um maior conjunto de deslocamentos e rotações em relação a outras peças robóticas. "Se pensarmos que a palma da mão é rígida, temos 20 graus de liberdade. "Para conseguir fazer mecanicamente algo semelhante em motores e engrenagens, é muito complexo. É complicado fazer todas as malhas de controle para ter um movimento preciso", analisa.
Segundo Becker, além de peças antropomórficas, a solução tecnológica permitiria maior praticidade e baixo custo na impressão de robôs. "Se conseguirmos fazer a impressão bioinspirada, colocando os filamentos de uma maneira que imite a complexidade do sistema biológico e, ainda, puder fazer o controle fino desses materiais, teremos um sistema mais leve, compacto e com uma fineza de movimento muito mais apurada. Então, a vantagem é muito grande", afirma o professor.
Limitações
Apesar das vantagens, Silveira aponta que ainda é necessário fazer mais testes no equipamento para avaliar os sistemas de instrumentação e controle. "A manufatura aditiva ainda tem muitos desafios, porque é uma área interdisciplinar que evolui à medida que os materiais de engenharia avançam em pesquisa básica e aplicada, combinada com métodos e princípios físicos para promover as adesões das camadas com diferentes tipos de matéria-prima em estado viscoso, sólido e líquido", afirma a professora.
Segundo Robert Katzschmann, a tecnologia ainda é limitada ao uso de produtos químicos que possuem uma viscosidade baixa quando em forma de resina, o que pode prejudicar a impressão do objeto. "Essas limitações vêm do pequeno tamanho dos bicos de impressão piezoelétricos usados em nossa impressora. Há, também, necessidade de pelo menos dois furos de drenagem no suporte de cera, mas este é um problema que qualquer técnica de fabricação aditiva apresenta", analisa.
Para o futuro, a equipe trabalha para que o sistema consiga imprimir objetos a partir de hidrogéis utilizados em aplicações de engenharia de tecidos para usos biomédicos e o uso de materiais de silício e polímeros duráveis.
*Estagiária sob a supervisão de Renata Giraldi
Robô assistivo para alimentação
Pesquisadores da Universidade de Washington, nos Estados Unidos, criaram um conjunto de 11 ações para que um braço robótico consiga pegar quase qualquer alimento que possa ser alcançado com o uso de um garfo. Nos testes, a peça conseguiu alcançar o alimento em mais de 80% das vezes, o que, segundo os autores, permitirá o uso doméstico da tecnologia.
Ethan K. Gordon, um dos responsáveis pela pesquisa, relata que trabalhos anteriores analisaram formas de classificar e compreender como as pessoas pegam um alimento com o garfo. "Para nós, o passo natural foi atribuir números concretos a esse entendimento. Quais ângulos exatos e quanta força as pessoas usaram? Podemos imitá-los em nosso robô?", ilustra.
Até alcançar os resultados da pesquisa, a equipe realizou testes com salada de frutas, para analisar qual trajetória o robô deveria seguir, caso recebesse uma imagem da comida. No entanto, os comandos iniciais foram limitados. "Estávamos apenas mudando o ângulo do garfo. Se você quiser pegar uma uva, por exemplo, os dentes do garfo precisam ficar retos para baixo, mas para uma banana eles precisam estar inclinados, caso contrário ele escorregará", explica o pesquisador.
Com repetidas tentativas, os pesquisadores descobriram um pequeno número de movimentos que as pessoas realmente usam para comer e estabeleceram 11 trajetórias que o robô poderia seguir. Em vez de apenas subir para baixo ou entrar em ângulo, a peça usa movimentos de escavação ou balança dentro do alimento para aumentar a força do contato.
Mesmo com resultados bem-sucedidos, Gordon aponta que as técnicas ainda precisam ser aprimoradas. "Nossas ações utilizam apenas um garfo. Omitimos completamente outros utensílios, como colheres. Embora nossas 11 ações tenham resultados muito bons em alimentos que vão do arroz ao macarrão, à gelatina, ao brócolis e ao frango, pode facilmente haver alimentos dos quais nunca ouvimos falar antes e que não funcionarão", avalia Gordon.
Para o futuro, a equipe acredita que a abordagem poderá adquirir uma maior cobertura de alimentos. "Acreditamos que o nosso sistema é bom o suficiente para apoiar estudos futuros, o que pode nos levar a um passo mais perto da criação de um sistema de alimentação assistida amplamente disponível, portátil, adaptável e seguro", aposta Gordon. O projeto foi apresentado na Conferência sobre Aprendizagem Robótica de 2023, em Atlanta, nos Estados Unidos. (AG)
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