Se você já espantou um mosquito para longe de seu rosto, apenas para vê-lo retornar novamente (e novamente e novamente), você sabe que os insetos podem ser incrivelmente acrobáticos e resistentes durante o vôo. Essas características os ajudam a navegar no mundo aéreo, com todas as rajadas de vento, obstáculos e incertezas gerais. Essas características também são difíceis de construir em robôs voadores, mas o professor assistente do MIT Kevin Yufeng Chen construiu um sistema que se aproxima da agilidade dos insetos.
Chen, membro do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica, desenvolveu drones do tamanho de insetos com destreza e resiliência sem precedentes. Os robôs aéreos são movidos por uma nova classe de atuadores suaves, que lhes permite resistir às dificuldades físicas do vôo no mundo real. Chen espera que os robôs possam um dia ajudar os humanos polinizando plantações ou realizando inspeções de máquinas em espaços apertados.
O trabalho de Chen foi publicado este mês na revista IEEE Transactions on Robotics. Seus co-autores incluem MIT Ph.D. aluno Zhijian Ren, Harvard University Ph.D. o estudante Siyi Xu e o roboticista Pakpong Chirarattananon da City University of Hong Kong.
Normalmente, os drones requerem grandes espaços abertos porque não são ágeis o suficiente para navegar em espaços confinados nem robustos o suficiente para resistir a colisões em uma multidão. “Se olharmos para a maioria dos drones hoje, eles geralmente são muito grandes”, disse Chen. “A maioria de suas aplicações envolve voar ao ar livre. A questão é: você pode criar robôs em escala de inseto que podem se mover em espaços muito complexos e desordenados?”
De acordo com Chen, “o desafio de construir pequenos robôs aéreos é imenso”. Os drones do tamanho de um pintinho requerem uma construção fundamentalmente diferente dos maiores. Drones grandes geralmente são movidos por motores, mas os motores perdem eficiência à medida que você os encolhe. Portanto, diz Chen, para robôs semelhantes a insetos “você precisa procurar alternativas”.
A principal alternativa até agora tem sido o emprego de um atuador pequeno e rígido construído com materiais cerâmicos piezoelétricos. Embora a cerâmica piezoelétrica tenha permitido que a primeira geração de pequenos robôs levantasse vôo, eles são bastante frágeis. E isso é um problema quando você está construindo um robô para imitar um inseto – as abelhas forrageiras sofrem uma colisão uma vez a cada segundo.
Chen projetou um pequeno drone mais resistente usando atuadores macios em vez de rígidos e frágeis. Os atuadores macios são feitos de cilindros de borracha finos revestidos de nanotubos de carbono. Quando a voltagem é aplicada aos nanotubos de carbono, eles produzem uma força eletrostática que comprime e alonga o cilindro de borracha. O alongamento e a contração repetidos fazem com que as asas do drone batam – rápido.
Os atuadores de Chen podem bater quase 500 vezes por segundo, dando ao drone uma resistência semelhante à de um inseto. “Você pode acertá-lo quando ele está voando e ele pode se recuperar”, disse Chen. “Ele também pode fazer manobras agressivas como cambalhotas no ar.” E pesa apenas 0,6 grama, aproximadamente a massa de uma grande abelha. O drone se parece um pouco com uma pequena fita cassete com asas, embora Chen esteja trabalhando em um novo protótipo em forma de libélula.
“Alcançar o vôo com um robô em escala centimétrica é sempre um feito impressionante”, diz Farrell Helbling, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Universidade Cornell, que não esteve envolvido na pesquisa. “Por causa da conformidade inerente dos atuadores macios, o robô pode correr com segurança em obstáculos sem inibir muito o vôo. Esse recurso é adequado para o vôo em ambientes dinâmicos e desordenados e pode ser muito útil para qualquer número de aplicações do mundo real.”
Helbling acrescenta que um passo fundamental em direção a essas aplicações será desvincular os robôs de uma fonte de alimentação com fio, que atualmente é exigida pela alta tensão operacional dos atuadores. “Estou animado para ver como os autores reduzirão a tensão de operação para que um dia possam alcançar voos sem amarras em ambientes do mundo real.”
Construir robôs semelhantes a insetos pode fornecer uma janela para a biologia e a física do vôo dos insetos, uma antiga via de investigação para os pesquisadores. O trabalho de Chen aborda essas questões por meio de uma espécie de engenharia reversa. “Se você quer aprender como os insetos voam, é muito instrutivo construir um modelo de robô em escala”, diz ele. “Você pode perturbar algumas coisas e ver como isso afeta a cinemática ou como as forças do fluido mudam. Isso ajudará você a entender como essas coisas voam.” Mas Chen pretende fazer mais do que adicionar aos livros didáticos de entomologia. Seus drones também podem ser úteis na indústria e na agricultura.
Chen diz que seus mini-trapezistas podiam navegar por maquinários complexos para garantir a segurança e a funcionalidade. “Pense na inspeção de um motor de turbina. Você gostaria que um drone se movesse [um espaço fechado] com uma pequena câmera para verificar se há rachaduras nas placas da turbina.”
Outras aplicações potenciais incluem a polinização artificial de plantações ou a realização de missões de busca e resgate após um desastre. “Todas essas coisas podem ser muito desafiadoras para os robôs de grande escala existentes”, disse Chen. Às vezes, maior não é melhor.
Publicado em 03/03/2021 09h28
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