Ampliando as possibilidades de robôs flexíveis com eletrônica flexível

De missões de busca e resgate a terapia ortopédica e muitas outras aplicações, robôs macios e dispositivos eletrônicos vestíveis mostram grande promessa para muitos campos. No entanto, projetá-los para serem funcionais e práticos de usar tem se mostrado desafiador.

No laboratório da Prof. Rebecca Kramer-Bottiglio, uma equipe de pesquisadores desenvolveu eletrônicos complexos que podem se esticar substancialmente além de sua forma original. Além disso, o sistema pode ser facilmente adaptado a diferentes usos. Os resultados de seu trabalho são publicados em Ciência Robótica.

O campo de robôs extensíveis é frequentemente bloqueado pela interface entre os componentes rígidos e macios dos dispositivos. Ou seja, eles exigem circuitos complexos que atualmente são rígidos demais para serem firmemente integrados em seus corpos macios. Como resultado, os designers emparelham seus dispositivos com placas de circuito externas, o que sacrifica a funcionalidade dos dispositivos.

Para esse fim, os pesquisadores do laboratório de Kramer-Bottiglio desenvolveram versões extensíveis de um Arduino — uma plataforma eletrônica de código aberto amplamente usada — e as incorporaram em robôs macios. Esses dispositivos não apenas se esticam substancialmente e ainda funcionam conforme o projetado, mas também foram criados para serem escaláveis ​​e facilmente reproduzidos.

É o circuito mais complexo que demonstrou ser capaz de se esticar substancialmente — um passo vital para o desenvolvimento de robôs flexíveis e dispositivos vestíveis que não sacrificam o poder de computação em prol da elasticidade.

A maioria dos robôs macios hoje em dia são controlados por microcontroladores rígidos estilo Arduino. Para acomodar a incompatibilidade entre os materiais macios dos robôs e os circuitos rígidos, os designers frequentemente tentam colocar os componentes eletrônicos onde eles criarão a menor quantidade de interferência no alongamento.

No laboratório de Kramer-Bottiglio, no entanto, os pesquisadores colocaram os circuitos em locais especificamente de alta tensão para ilustrar sua robustez. Isso fornece maior liberdade para outros roboticistas em como eles projetam seus dispositivos. Nos dispositivos dos pesquisadores, havia mais de 70 pontos de contato entre componentes rígidos e macios que se esticavam na aplicação e no teste.

“Conseguimos superar os obstáculos habituais do nosso processo de fabricação e, na verdade, criar muitos Arduinos extensíveis”, disse Stephanie Woodman, principal autora do estudo e aluna de doutorado no laboratório de Kramer-Bottiglio.

Eles se mostraram muito elásticos, alongando-se de três a quatro vezes em relação ao seu formato original.

“As demonstrações coletivamente marcam uma transição de exibições únicas e funcionalmente limitadas para circuitos multicamadas extensíveis, robustos, confiáveis ​​e complexos”, disse Kramer-Bottiglio, professor associado de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais John J. Lee.

Para este projeto, os pesquisadores se concentraram em tornar o sistema acessível e aplicável a diferentes usos. Para demonstrar a generalidade do método, eles o aplicaram para fazer versões extensíveis do popular Arduino Pro Mini, bem como do Arduino Lilypad, do Sparkfun Sound Detector, do Sparkfun RGB e do Gesture Sensor. E ao desenvolver o método, eles também eliminaram qualquer necessidade de equipamentos ou materiais extensivos, experiência ou experiência em design de circuitos.

Os pesquisadores começaram com um metal líquido à base de gálio. Para tornar o material pintável e fácil de usar, eles agitaram o metal líquido para expô-lo ao oxigênio.

“Isso permite que ele se transforme numa pasta, que é muito mais padronizável, e permite que ele adira fortemente a todos esses substratos macios e componentes elétricos rígidos”, disse Woodman.

Eles então pintaram esse material sobre máscaras feitas de papel que tinha sido cortado a laser no padrão de circuito desejado, de modo que quando a máscara fosse removida, os componentes do circuito pudessem ser colocados e a camada pudesse ser encapsulada. Todos os seus materiais de fabricação, métodos e designs de circuito são de código aberto — seu processo para fazer eletrônicos extensíveis é demonstrado nesta página do GitHub.

Agora que desenvolveram esses circuitos extensíveis, os roboticistas têm muitas maneiras de usá-los.

“Nós o incorporamos em vários robôs macios”, disse Woodman. “Por exemplo, um controla o portão de um robô quadrúpede enquanto se estica.” Ela acrescentou que a eletrônica elástica não interfere na forma como os robôs se transformam.

Dispositivos vestíveis — aqueles que auxiliam em membros lesionados, por exemplo — são outra aplicação.

“Colocamos nosso circuito bem no cotovelo e o mostramos se esticando”, disse Woodman, acrescentando que o cotovelo é um dos lugares mais difíceis de aplicar um dispositivo vestível, devido à quantidade de alongamento envolvida.

“Portanto, não estamos apenas criando circuitos realmente extensíveis, mas também mostrando como isso pode ser implementado de forma prática em casos de uso por todo o corpo e nos robôs leves do futuro.”