Braços de robôs biônicos tão flexíveis e suaves quanto a tromba de um elefante

Músculos e nervos artificiais feitos da liga de níquel-titânio com memória de forma estão tornando os braços dos robôs tão flexíveis e ágeis quanto seus equivalentes animais. Mas esses membros artificiais também pesam menos, trabalham incansavelmente e podem ser controlados com precisão. Os braços robóticos biônicos que estão sendo desenvolvidos pela equipe de pesquisa do professor Stefan Seelecke na Universidade de Saarland em colaboração com o especialista em automação alemão Festo consomem muito pouca energia elétrica e podem funcionar com segurança com humanos. A equipe de pesquisa apresentará a tecnologia na Hannover Messe deste ano, de 17 a 21 de abril (Hall 002, Stand B34).

Os robôs industriais de hoje são poderosos, rápidos e altamente precisos, mas também são pesados ​​e potencialmente fatais. Quem trabalha com essas máquinas tem que ter cuidado, ser atingido por um braço de robô industrial pode ter consequências dolorosas. Se as pessoas trabalharem lado a lado e de mãos dadas com os robôs, os robôs precisarão, literalmente, se tornar mais macios. A equipe de pesquisa liderada pelo professor Stefan Seelecke, especialista em sistemas de materiais inteligentes da Universidade de Saarland, está desenvolvendo um braço robótico que não incorpora nenhuma peça de metal pesado.

Os pesquisadores de Saarbrücken se inspiraram no mundo natural, especificamente na tromba do elefante. “A tromba de um elefante é uma história de sucesso evolutivo que teve milhões de anos para se adaptar e provar seu valor na prática”, explicou Stefan Seelecke. O braço robótico delgado semelhante a um tronco que a equipe de pesquisa está desenvolvendo pode balançar, balançar e dobrar em todas as direções. Ao contrário dos pesados ​​braços de metal articulados usados ​​nos robôs industriais de hoje, o novo braço do robô não está preso a uma junta volumosa que só permite o movimento em certas direções. E assim como a tromba de um elefante não contém ossos, a tromba robótica não possui nenhuma estrutura rígida de metal. Sua flexibilidade e manobrabilidade vêm da maneira inteligente como seus músculos artificiais interagem uns com os outros.

“Usando sistemas de materiais inteligentes, somos capazes de criar ferramentas robóticas flexíveis e macias que são muito mais leves e muito mais flexíveis do que os dispositivos em uso hoje. Elas não precisam ser acionadas por motores ou por sistemas hidráulicos ou pneumáticos – todos eles precisam é de um pouco de energia elétrica. Isso torna nossa tecnologia sustentável, econômica e silenciosa”, disse Stefan Seelecke. Seu grupo de pesquisa na Universidade de Saarland e no Centro de Mecatrônica e Tecnologia de Automação em Saarbrücken (ZeMA) está desenvolvendo diferentes tipos de músculos artificiais para uso em troncos e tentáculos robóticos inteligentes.

Os engenheiros fazem uso de polímeros inteligentes e ligas com memória de forma ao projetar esses sistemas. A equipe está apresentando um novo protótipo de baú robótico na Hannover Messe deste ano. Eles demonstrarão as capacidades da probóscide de 30 centímetros de comprimento cujos “músculos” e “nervos” são feitos de feixes de fios de níquel-titânio. “A tecnologia que estamos desenvolvendo é escalável e pode ser usada em grandes braços robóticos para aplicações industriais”, disse Seelecke.

Músculos artificiais feitos de fios de níquel-titânio podem se contrair como os músculos dos organismos vivos. Eles podem, sob comando, ser encurtados (contração muscular) e depois alongados novamente (relaxamento muscular). A capacidade do níquel-titânio de se comportar dessa maneira se deve ao fato de a liga possuir a propriedade incomum de memória de forma, ou seja, o material é capaz de “lembrar” sua forma original e retornar a ela após ser deformado. Se um fio de níquel-titânio for aquecido, por exemplo, por uma corrente elétrica, ele ficará mais curto. Quando a corrente é desligada, o fio esfria e volta ao seu comprimento original. A razão para esse comportamento está na estrutura cristalina da liga.

“Aquecer a liga induz transições de fase de estado sólido”, explicou o professor Paul Motzki, que realiza pesquisas com Stefan Seelecke e é professor interinstitucional no campo de sistemas de materiais inteligentes para produção inovadora na Saarland University e ZeMA. Ao contrário da água líquida, por exemplo, que muda de estado e se torna gasosa quando aquecida, o níquel-titânio permanece no estado sólido, mas sua estrutura cristalina sofre uma transformação.

Os engenheiros constroem o tronco robótico a partir de um grande número de fibras musculares artificiais. Assim como o tecido muscular humano é feito de feixes de fibras musculares, os fios musculares artificiais compreendem feixes de fios ultrafinos com memória de forma. Esses feixes de fios ultrafinos fornecem uma grande área de superfície através da qual podem transferir calor, o que significa que eles esfriam e relaxam mais rapidamente após a contração. E são fortes também.

“Os fios têm a maior densidade de energia de todos os mecanismos de acionamento conhecidos e podem fornecer uma força de tração substancial. Isso nos permite construir tecnologias de acionamento poderosas em espaços muito pequenos, algo que de outra forma seria impossível”, explicou o professor Motzki. Ao enfiar os feixes de arame através de uma série de discos plásticos finos redondos, os feixes de arame mantêm o espaçamento entre os discos, criando assim segmentos da estrutura semelhante a um tronco. Ao unir vários desses segmentos, os pesquisadores podem construir um tronco inteiro, com o tamanho dos discos diminuindo em direção à extremidade cônica do tronco.

Ao aplicar correntes elétricas, a equipe de pesquisa pode flexionar os músculos do tronco. Encurtar os fios musculares artificiais em um lado de um segmento muscular faz com que o tronco se dobre para fora no ângulo desejado naquele local. Ao controlar como os feixes de fios individuais são ativados, os músculos artificiais podem ser flexionados e estendidos para criar sequências fluidas de movimentos. Sem a necessidade de sensores adicionais, os pesquisadores podem controlar a posição do tronco com rapidez e precisão e, assim, fazer com que ele execute quase qualquer sequência de movimentos. Sensores extras não são necessários porque os próprios músculos artificiais têm propriedades sensoriais, o que lhes permite atuar também como uma espécie de sistema nervoso interno.

“Toda distorção dos fios causa uma mudança na resistência elétrica, o que nos permite atribuir um valor preciso de resistência a qualquer deformação específica do fio. Usando esses valores de resistência, sabemos exatamente como um determinado feixe de fios está atualmente deformado, o que essencialmente transmite propriedades sensoriais ao sistema”, explicou o doutorando Yannik Goergen, que desenvolveu o tronco artificial como parte de seu projeto de pesquisa de doutorado.

Para treinar o tronco biônico, os engenheiros usam esses valores para modelar e programar sequências de movimento, o que envolve o desenvolvimento de algoritmos inteligentes para esse fim. Eles também podem equipar a ponta do tronco com funções adicionais, como uma ferramenta de pinça ou um sistema de câmera. O porta-malas também pode ser equipado com uma mangueira que possa dispensar ou bombear fluidos com precisão.