A fabricação aditiva de robôs macios pode reduzir o desperdício e aumentar o desempenho

A robótica macia tem várias vantagens importantes em relação às contrapartes rígidas, incluindo seus recursos de segurança inerentes – materiais macios com movimentos alimentados por câmaras de ar infladas e desinfladas podem ser usados ​​com segurança em ambientes frágeis ou próximos a humanos – bem como sua flexibilidade que permite que eles se encaixem em espaços apertados. Os têxteis tornaram-se um material de escolha para a construção de muitos tipos de robôs macios, especialmente os vestíveis, mas os métodos tradicionais de fabricação de “cortar e costurar” deixaram muito a desejar.

Agora, pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) estabeleceram uma nova abordagem para a fabricação aditiva de robótica macia, usando um método de tricô 3D que pode “imprimir” holisticamente robôs macios inteiros. Seu trabalho é relatado em Materiais funcionais avançados.

“A comunidade de robótica leve ainda está na fase de buscar abordagens de materiais alternativos que nos permitirão ir além de formas e funções de robôs rígidos mais clássicos”, diz Robert Wood, autor correspondente sênior do artigo, que é o Harry Lewis e Marlyn McGrath Professor de Engenharia e Ciências Aplicadas da SEAS.

“Os têxteis são atraentes, pois podemos ajustar radicalmente suas propriedades estruturais pela escolha de suas fibras constituintes e como essas fibras interagem umas com as outras”, diz Wood.

“Usando métodos de ‘cortar e costurar’, você precisa fabricar grandes folhas de material têxtil que você corta em padrões que são montados por costura ou colagem – e isso normalmente envolve um alto nível de trabalho humano”, diz Vanessa Sanchez, primeira autora no papel e um ex-Ph.D. estudante no laboratório de Wood. “Cada costura adiciona custos e possíveis pontos de falha. Para a fabricação de dispositivos robóticos complexos, isso pode ser um grande desafio.”

Sanchez ficou intrigado com o conceito de tricô 3D, que pode produzir roupas sem costura com pouco desperdício de material. Ela se perguntou se o método poderia ser adaptado para criar robôs macios baseados em têxteis.

A equipe adquiriu uma máquina de tricô vintage para cartões perfurados e Sanchez se conectou com especialistas em tricô da Rhode Island School of Design e da Parsons School of Design and Fashion Institute of Technology.

Para automatizar o processo de tricô, Sanchez e a equipe também precisavam desenvolver um software que pudesse direcionar o equipamento de tricô – máquinas com várias décadas de idade – para fazer estruturas complexas com vários tipos de fios. “Em um caso, tive que enganar o maquinário – usando um programa de software – fazendo-o pensar que meu computador era um disquete”, diz Sanchez. Depois que os experimentos iniciais foram promissores, a equipe mudou para uma máquina mais moderna e automatizada.

James McCann, professor assistente do Carnegie Mellon Robotics Institute, colaborou no software. “A equipe queria desenvolver e caracterizar uma ampla gama de atuadores suaves – eles não estavam construindo apenas um padrão, mas um conjunto completo de padrões paramétricos”, diz McCann. “Isso é difícil de fazer com o software de design de tricô tradicional, que geralmente é focado no desenvolvimento de saídas únicas manualmente, em vez de famílias de saídas paramétricas facilmente ajustáveis.”

Para criar uma solução alternativa, a equipe descreveu os padrões 3D usando um formato de arquivo “knitout” – uma descrição de tricô escrita em linguagens de programação de uso geral – e, em seguida, desenvolveu um código para traduzir essas descrições de tricô para execução na máquina de tricô desejada.

“O legal de desenvolver padrões paramétricos em um formato de tricô genérico como o knitout é que outros grupos com diferentes tipos de máquinas de tricô podem usar e construir sobre os mesmos padrões, sem grandes esforços de tradução”, diz McCann.

Depois de configurar seu processo de tricô 3D, Sanchez e colaboradores conduziram uma série de experimentos para, pela primeira vez, criar uma extensa biblioteca de conhecimento sobre a forma como vários parâmetros de tricô afetam as propriedades mecânicas do material resultante. Testando 20 combinações diferentes de fios, estrutura e muito mais, a equipe caracterizou como as arquiteturas de malha variadas afetam dobras e desdobramentos, geometria estrutural e propriedades de tração.

Usando combinações dessas estruturas, eles demonstraram muitos protótipos diferentes de robôs de tricô, incluindo vários tipos de dispositivos de pinça com apêndices de flexão e preensão, uma garra de várias câmaras, um robô semelhante a uma lagarta e um atuador semelhante a uma cobra capaz de pegar objetos muito mais pesado do que o próprio dispositivo.

“Queríamos criar uma biblioteca para os engenheiros desenvolverem uma variedade de robôs macios, então caracterizamos as propriedades mecânicas de muitas malhas diferentes”, diz Sanchez. “O tricô 3D é uma nova forma de pensar sobre manufatura aditiva, sobre como fazer coisas que podem ser reconfiguradas ou reimplantadas. Já existem máquinas industriais para suportar esse tipo de manufatura – com esta etapa inicial, acreditamos que nossa abordagem pode escalar e traduzir fora do laboratório.”

“Eu prevejo que os têxteis programáveis ​​terão um impacto semelhante em como os robôs macios são feitos, como os compósitos reforçados com fibras tiveram na construção de aeronaves e automóveis de alto desempenho”, diz Wood.