O campo de soft robotics — robótica mole, em tradução para o português — trabalha no desenvolvimento de robôs flexíveis, capazes de se locomover a partir da deformação causada em suas estruturas por variações de temperatura ou passagem de corrente elétrica, sem necessidade de utilizar peças rígidas, como juntas e motores.
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Explorando esse potencial, pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos Estados Unidos, criaram um dispositivo robótico circular autônomo, chamado twisted ringbots — sem tradução específica para português — capaz de realizar três movimentos autorotatórios simultâneos: rolar para frente, girar como um disco e seguir um caminho que orbita em torno de um ponto central.
A tecnologia opera sem controle humano ou computador e, segundo os autores, poderá, no futuro, servir para o desenvolvimento de dispositivos robóticos leves para navegar e mapear ambientes desconhecidos. A solução tecnológica é formada pela ligação de fitas de elastômeros de cristal líquido (LCEs) — polímero macio, semelhante à borracha, que responde a estímulos térmicos — que foram torcidos e, em seguida, unidos pelas extremidades, formando uma estrutura semelhante à de uma pulseira.
Funcionamento
Quando colocado em uma superfície com pelo menos 55°C, mais quente que o ar ambiente, a parte do robô em contato com o calor se contrai, enquanto a que está exposta ao ar, não. Esse processo induz o movimento de rolamento. Segundo os autores, quanto mais quente a superfície, mais rápido o dispositivo rola.
Fangjie Qi, primeiro autor do artigo, relata que a ideia do projeto era explorar materiais como LCEs que podem alterar a forma, propriedades ou funcionalidades em resposta a estímulos externos, como temperatura, luz ou reações químicas, oferecendo diversas vantagens, como a adaptabilidade ao ambiente.
"Alguns materiais podem responder a estímulos ambientais sem necessitar de uma fonte de energia externa, tornando-os potencialmente eficientes em termos energéticos, ou mesmo colher energia do próprio ambiente natural. Os materiais ativos podem adaptar-se às mudanças nas condições ambientais, tornando-os altamente versáteis para diversas aplicações", diz.
Segundo Qi, o principal e persistente desafio do projeto é integrar os LCEs em sistemas ou estruturas existentes, uma vez que diferenças nas propriedades dos materiais podem levar a problemas de compatibilidade ou à necessidade de interfaces especializadas. "As suas propriedades únicas nem sempre podem estar alinhadas com os materiais convencionais, exigindo um redesenho ou adaptação dos sistemas existentes", explica.
Estímulos
A equipe realizou diferentes testes para analisar a capacidade de resposta dos LCEs a estímulos térmicos, observando seu comportamento de atuação sob condições controladas. O material foi aquecido para observar mudanças de forma ou deformação. A peça robótica também foi submetida a testes de tração, para avaliar propriedades mecânicas, como elasticidade e resistência.
Os resultados, publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), mostram que o robô torcido foi capaz de realizar movimentos autônomos, repetidos e uniformes em resposta a estímulos externos constantes, como exposição a fontes de luz e temperatura. Além disso, conseguiu locomover-se dentro de espaços confinados delimitados por paredes rígidas, incluindo órbitas circulares e não circulares.
Espaços confinados
Para Filipe Tôrres, membro do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), devido à autonomia, a solução tecnológica supera outros robôs que não conseguem se mover plenamente ou funcionam por controle, podendo ser usados para explorar ambientes reduzidos e escuros, com condições impróprias para vida em geral.
"Para o ambiente desconhecido, o robô torcido tem sua movimentação independentemente de qualquer tipo de controle. As futuras pesquisas poderiam explorar principalmente a autonomia na locomoção dos robôs torcidos e trazer novas aplicações reais para a tecnologia, que é de baixo custo e de fácil replicação", aponta Tôrres.
Na avaliação de Vivian Suzano Medeiros, PhD em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), é necessário realizar mais pesquisas para permitir a implementação dos robôs em cenários reais, como avaliar a atuação da tecnologia fora de um ambiente laboratorial e em cenários de adversidade quanto às fontes de temperatura e luz que permitem a sua locomoção.
"É preciso pesquisar uma forma apropriada de coletar os dados adquiridos pelo robô para a geração de relatórios de inspeção. É possível explorar também a possibilidade de equipá-lo com nanossensores para tarefas de inspeção ainda mais complexas", observa Medeiros.
Segundo Fangjie Qi, a equipe busca superar as complexidades no processo de fabricação de LCEs, envolvendo controle preciso do alinhamento molecular do material que pode limitar a escalabilidade para produção em larga escala das peças robóticas."Os próximos passos são para obter mais funcionalidades e integrar LCEs em sistemas existentes para funcionar como sensores de alta precisão ou atuadores que não não requerem fonte de energia convencional", afirma Qi.
Atos rápidos
"Esses robôs são pesquisados para tarefas de manipulação de objetos, já que são capazes manusear ou tocar objetos frágeis sem danificá-los ou danificarem a si mesmos. O fato de serem flexíveis também permite que soft robots consigam se mover com facilidade em espaços confinados e em ambientes com muitas obstruções e obstáculos. Uma aplicação interessante desse tipo de tecnologia é a utilização para tarefas de análise de integridade estrutural e inspeção industrial. Um ou mais robôs torcidos podem se mover constantemente ao longo de uma estrutura mecânica e serem capazes de mapear o perfil da estrutura, identificando rupturas e falhas. Como não necessitam de bateria ou motores para se mover, somente variações de temperatura, poderiam fornecer um monitoramento contínuo da estrutura, além de serem utilizados para mapeamento de espaços desconhecidos e de difícil acesso. Uma vez que o robô encontra a borda de uma estrutura, é capaz de seguir as bordas de forma autônoma para mapear os contornos do espaço."
Vivian Suzano Medeiros, PhD em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro (PUC-Rio)
Dragão Bombeiro
Pesquisadores japoneses desenvolveram um robô voador flexível capaz de extinguir fogo com rajadas de água de forma segura e eficiente por controle remoto. O objetivo é que a tecnologia ajude a apagar incêndios perigosos para humanos se aproximarem. A equipe estima que a solução tecnológica esteja pronta para uso no mundo real na próxima década.
Descrito na revista Frontiers in Robotics and AI, o Dragon Firefighter — Dragão Bombeiro, em tradução livre para o português — é formado por uma mangueira área de 4 metros de comprimento, impulsionada 2m acima do solo por oito jatos controláveis de água jorrando de seu centro até a extremidade frontal.
A mangueira pode mudar de forma e ser orientada para as chamas, dirigida por uma unidade de controle em um carrinho com rodas que pode ser operado remotamente. O carrinho é conectado por meio de um tubo de abastecimento a um caminhão de bombeiros com reservatório de água de 14 mil litros.
A tecnologia é equipada com uma câmera para observação do cenário de incêndio e um mecanismo de amortecimento para garantir melhor estabilidade durante a operação.
Yu Yamauchi, primeiro autor do estudo e professor da Universidade de Osaka, relata que a necessidade de construir o robô surgiu a partir de um incêndio que ocorreu em 2017, em um armazém da empresa Askul, no Japão. "O principal desafio foi garantir a levitação estável de uma mangueira flexível. Resolvemos isso desenvolvendo métodos de controle para levitação estável e tecnologia de bicos", diz.
A primeira versão do Dragon Firefighter foi inaugurada na cerimônia de abertura do World Robot Summit 2020, em setembro de 2021 em Fukushima, no Japão. No evento, o robô apagou, em menos de uma hora, a chama cerimonial, composta por bolas de fogo acesas por outro robô, a uma distância de 4m.
"Aprendemos muitas coisas. Por exemplo, descobrimos que o mecanismo passivo aplicado era funcional, mas impraticável porque demorava um longo período de tempo para a preparação do voo. Descobrimos também que a deformação plástica do tubo causada pelo calor não pode ser ignorada em aplicações externas", afirma Yamauchi.
No novo estudo, a equipe detalha as diversas melhorias feitas no robô, como aumentar o comprimento da mangueira, instalação de controle remoto e redesenho dos canais de água para obter empuxo suficiente para voar com um carro de bombeiros.
Os pesquisadores trabalham para dimensionar o robô para mais de 10 metros para uso prático. No entanto, para Yamauchi, alcançar esse objetivo é um processo complexo. "Esse aumento significativo no tamanho introduz complexidades, como oscilações não intencionais e necessidade de manobrabilidade precisa para contornar obstáculos dentro dos edifícios. O desenvolvimento de táticas eficazes de combate a incêndios adaptadas às capacidades únicas desse robô é um aspecto crítico do processo", avalia Yamauchi.
*Estagiária sob supervisão de Renata Giraldi
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Sistema soft: atos rápidos
"Esses robôs são pesquisados para tarefas de manipulação de objetos, já que são capazes manusear ou tocar objetos frágeis sem danificá-los ou danificarem a si mesmos. O fato de serem flexíveis também permite que soft robots consigam se mover com facilidade em espaços confinados e em ambientes com muitas obstruções e obstáculos. Uma aplicação interessante desse tipo de tecnologia é a utilização para tarefas de análise de integridade estrutural e inspeção industrial. Um ou mais robôs torcidos podem se mover constantemente ao longo de uma estrutura mecânica e serem capazes de mapear o perfil da estrutura, identificando rupturas e falhas. Como não necessitam de bateria ou motores para se mover, somente variações de temperatura, poderiam fornecer um monitoramento contínuo da estrutura, além de serem utilizados para mapeamento de espaços desconhecidos e de difícil acesso. Uma vez que o robô encontra a borda de uma estrutura, é capaz de seguir as bordas de forma autônoma para mapear os contornos do espaço."
Vivian Suzano Medeiros, PhD em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro (PUC-Rio)
Dragão bombeiro
Pesquisadores japoneses desenvolveram um robô voador flexível capaz de extinguir fogo com rajadas de água de forma segura e eficiente por controle remoto. O objetivo é que a tecnologia ajude a apagar incêndios perigosos para humanos se aproximarem. A equipe estima que a solução tecnológica esteja pronta para uso no mundo real na próxima década.
Descrito na revista Frontiers in Robotics and AI, o Dragon Firefighter — Dragão Bombeiro, em tradução livre para o português — é formado por uma mangueira área de 4 metros de comprimento, impulsionada 2m acima do solo por oito jatos controláveis de água jorrando de seu centro até a extremidade frontal.
A mangueira pode mudar de forma e ser orientada para as chamas, dirigida por uma unidade de controle em um carrinho com rodas que pode ser operado remotamente. O carrinho é conectado por meio de um tubo de abastecimento a um caminhão de bombeiros com reservatório de água de 14 mil litros.
A tecnologia é equipada com uma câmera para observação do cenário de incêndio e um mecanismo de amortecimento para garantir melhor estabilidade durante a operação.
Yu Yamauchi, primeiro autor do estudo e professor da Universidade de Osaka, relata que a necessidade de construir o robô surgiu a partir de um incêndio que ocorreu em 2017, em um armazém da empresa Askul, no Japão. "O principal desafio foi garantir a levitação estável de uma mangueira flexível. Resolvemos isso desenvolvendo métodos de controle para levitação estável e tecnologia de bicos", diz.
A primeira versão do Dragon Firefighter foi inaugurada na cerimônia de abertura do World Robot Summit 2020, em setembro de 2021 em Fukushima, no Japão. No evento, o robô apagou, em menos de uma hora, a chama cerimonial, composta por bolas de fogo acesas por outro robô, a uma distância de 4m.
"Aprendemos muitas coisas. Por exemplo, descobrimos que o mecanismo passivo aplicado era funcional, mas impraticável porque demorava um longo período de tempo para a preparação do voo. Descobrimos também que a deformação plástica do tubo causada pelo calor não pode ser ignorada em aplicações externas", afirma Yamauchi.
No novo estudo, a equipe detalha as diversas melhorias feitas no robô, como aumentar o comprimento da mangueira, instalação de controle remoto e redesenho dos canais de água para obter empuxo suficiente para voar com um carro de bombeiros.
Os pesquisadores trabalham para dimensionar o robô para mais de 10 metros para uso prático. No entanto, para Yamauchi, alcançar esse objetivo é um processo complexo. "Esse aumento significativo no tamanho introduz complexidades, como oscilações não intencionais e necessidade de manobrabilidade precisa para contornar obstáculos dentro dos edifícios. O desenvolvimento de táticas eficazes de combate a incêndios adaptadas às capacidades únicas desse robô é um aspecto crítico do processo", avalia Yamauchi. (AG)
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