Amarras flexíveis permitem que bots emparelhados resolvam labirintos e coletem objetos

Deixados sozinhos, os robôs de brinquedo deslizarão inconscientemente pela mesa e divertirão crianças pequenas e gatos. Mas quando os engenheiros de Princeton combinaram os pequenos brinquedos com uma corda flexível, os bots desenvolveram habilidades notáveis. Eles exploraram espaços fechados, resolveram labirintos com facilidade e até reuniram objetos soltos em padrões.

“Queríamos pegar agentes sem cérebro e iniciar comportamentos complexos”, disse Pierre-Thomas Brun, professor associado de engenharia química e biológica e líder da equipe de pesquisa.

Em um artigo publicado em 29 de outubro no Anais da Academia Nacional de Ciênciasos pesquisadores disseram que conectar os robôs com uma corda de polímero flexível permitiu que as máquinas de cinco centímetros de comprimento exibissem computação morfológica – um fenômeno no qual as características físicas, em vez do cálculo digital, podem ser aproveitadas para resolver problemas complexos.

As descobertas têm implicações que vão além dos usos interessantes para brinquedos robóticos. Os cientistas estão buscando maneiras de controlar enxames de robôs para tudo, desde sistemas de vigilância até exploração espacial. Em muitos casos, os investigadores organizam enxames ensinando cada robô a responder a sinais simples dos seus vizinhos, como um peixe a nadar num cardume. A equipe de Brun queria explorar se era possível exercer controle sobre grupos de robôs que não possuem qualquer poder computacional e que respondem apenas a entradas físicas.

Os robôs de brinquedo que sua equipe usou são um tipo de pequeno robô chamado bristlebots. Eles apresentam pernas minúsculas e flexíveis e um motor interno vibratório que aciona seu movimento de inseto. Os bots não possuem qualquer tipo de controle de computador e dependem de fricção mecânica para direcioná-los. Amplamente vendidos como brinquedos, os bristlebots encontraram uso em experimentos científicos nos quais substituem partículas de gás e bactérias.

A equipe de Brun queria saber se seria possível criar comportamentos complexos sem usar luzes ou outras instruções externas. Eles planejaram aproveitar a inteligência mecânica, na qual os sistemas físicos resolvem problemas da mesma forma que uma mão segura uma bola.

A chave foi uma corda flexível, que os pesquisadores criaram com uma impressora 3D. Eles experimentaram cordas rígidas e outras de flexibilidade variável. Usando câmeras para rastrear os bots, os pesquisadores criaram modelos matemáticos que previram o comportamento dos bots emparelhados com base em variáveis, incluindo a força dos bots e o comprimento e flexibilidade da corda.

Em cada configuração, os pesquisadores prenderam uma corda na borda frontal de cada microrobô retangular. Com a corda mais rígida, basicamente uma viga rígida de poliéster, os bots se empurravam uns contra os outros e a dupla mal se movia. Mas à medida que os investigadores aumentaram a flexibilidade do poliéster, as amarras começaram a ceder à medida que os bots empurravam.

Eventualmente, as amarras se curvaram em forma de U, permitindo que os bots avançassem rapidamente em direção à curva em U – como dois nadadores empurrando cada extremidade de um flutuador em forma de macarrão. A corda que conectava os bots controlava a direção do par, impedindo que qualquer um deles deslizasse em uma direção aleatória. (Este controle diminui quando a força aplicada pelos bots ultrapassa um limite que excede a resistência da corda à deformação.) Os pesquisadores calcularam o ângulo que permitiu aos bots avançar em uma direção controlada com a maior velocidade.

Tendo aprendido a controlar a direção dos bots emparelhados, os pesquisadores passaram para os obstáculos. Eles descobriram que, ao bater em uma parede, a corda em forma de U se achata e faz com que um dos bots emparelhados deslize ao longo da parede. Eventualmente, a curva da corda reaparece, mas apontando em uma direção diferente. Isso leva o par de bots a navegar para longe da parede. O comportamento permite que o par de bots explore um espaço confinado. Também é fundamental para a capacidade do par de navegar em labirintos.

Além disso, os pesquisadores examinaram a capacidade dos bots de passar por aberturas. Eles também desenvolveram maneiras de usar os bots para reunir objetos soltos em uma mesa em grupos separados.

O projeto começou como projeto de tese sênior de Richard B. Huang. Huang, que se formou em 2023 em engenharia química e biológica, disse que começou a trabalhar com Brun investigando o comportamento de robôs individuais conectados a uma viga elástica. Um dia, ele conectou dois robôs com uma corda e “ligou o gravador para ver o que aconteceria”.

“Eu deixei passar e ele se moveu pelas paredes da configuração experimental”, disse Huang, agora estudante de doutorado em engenharia química no MIT. “Achei isso realmente interessante. E foi aí que as coisas começaram a ficar realmente emocionantes.”

Brun disse que a equipe planeja continuar trabalhando no sistema de amarração. Ele disse que gostariam de explorar outros comportamentos e arranjos com um número maior de bots conectados. Outra possibilidade é aplicar o trabalho em drones que se deslocam em três dimensões.

Além de Brun e Huang, os autores incluem Yuchen Xi, estudante de pós-graduação em engenharia química e biológica em Princeton; Tom Marzin, pesquisador de pós-doutorado em Princeton; e Trevor Jones, ex-aluno de doutorado no laboratório de Brun que agora é professor assistente de engenharia mecânica na Carnegie Mellon University. O apoio ao projeto foi fornecido em parte pela National Science Foundation.