Centopéias apressadas inspiram robôs de muitas pernas que podem atravessar paisagens difíceis

As centopéias são conhecidas por sua caminhada sinuosa. Com dezenas a centenas de pernas, eles podem atravessar qualquer terreno sem parar.

“Quando você vê uma centopéia correndo, está basicamente vendo um animal que habita um mundo muito diferente do nosso mundo de movimento”, disse Daniel Goldman, professor da Dunn Family na Escola de Física. “Nosso movimento é amplamente dominado pela inércia. Se eu balançar minha perna, eu pouso no meu pé e avanço. Mas no mundo das centopéias, se elas pararem de mexer as partes do corpo e membros, elas basicamente param de se mover instantaneamente.”

Intrigado para ver se os muitos membros poderiam ser úteis para a locomoção neste mundo, uma equipe de físicos, engenheiros e matemáticos do Instituto de Tecnologia da Geórgia está usando esse estilo de movimento a seu favor. Eles desenvolveram uma nova teoria de locomoção de várias pernas e criaram modelos robóticos de muitas pernas, descobrindo que o robô com pernas redundantes poderia se mover por superfícies irregulares sem qualquer detecção adicional ou tecnologia de controle como a teoria previa.

Esses robôs podem se mover em terrenos complexos e acidentados – e há potencial para usá-los na agricultura, exploração espacial e até mesmo busca e resgate.

Os pesquisadores apresentaram seus trabalhos nos artigos “Multilegged Matter Transport: A Framework for Locomotion on Noisy Landscapes”, em Ciência em maio e “Self-Propulsion via Slipping: Frictional Swimming in Multilegged Locomotors”, em Anais da Academia Nacional de Ciências em março.

Uma perna para cima

Para o Ciência No artigo, os pesquisadores foram motivados pela teoria da comunicação do matemático Claude Shannon, que demonstra como transmitir sinais de forma confiável à distância, para entender por que um robô de várias pernas era tão bem-sucedido na locomoção. A teoria da comunicação sugere que uma maneira de garantir que uma mensagem chegue do ponto A ao ponto B em uma linha com ruído não é enviá-la como um sinal analógico, mas dividi-la em unidades digitais discretas e repetir essas unidades com um código apropriado. .

“Fomos inspirados por essa teoria e tentamos ver se a redundância poderia ser útil no transporte de matéria”, disse Baxi Chong, pesquisador de pós-doutorado em física. “Então, começamos este projeto para ver o que aconteceria se tivéssemos mais pernas no robô: quatro, seis, oito pernas e até 16 pernas.”

Uma equipe liderada por Chong, incluindo o pós-doutorando da School of Mathematics Daniel Irvine e o professor Greg Blekherman, desenvolveu uma teoria que propõe que adicionar pares de pernas ao robô aumenta sua capacidade de se mover de forma robusta em superfícies desafiadoras – um conceito que eles chamam de redundância espacial.

Essa redundância faz com que as pernas do robô tenham sucesso por conta própria, sem a necessidade de sensores para interpretar o ambiente. Se uma perna vacila, a abundância de pernas a mantém em movimento independentemente. Com efeito, o robô torna-se um sistema confiável para transportar a si mesmo e até mesmo uma carga de A para B em paisagens difíceis ou “ruidosas”. O conceito é comparável a como a pontualidade pode ser garantida no transporte sobre rodas se a via ou trilho for suficientemente suave, mas sem ter que projetar o ambiente para criar essa pontualidade.

“Com um robô bípede avançado, normalmente são necessários muitos sensores para controlá-lo em tempo real”, disse Chong. “Mas em aplicações como busca e salvamento, exploração de Marte ou mesmo microrobôs, é necessário dirigir um robô com detecção limitada. Há muitas razões para tal iniciativa sem sensor. Os sensores podem ser caros e frágeis, ou os ambientes podem mudar tão rápido que não permitem tempo de resposta sensor-controlador suficiente.”

Para testar isso, Juntao He, um Ph.D. estudante de robótica, conduziu uma série de experimentos onde ele e Daniel Soto, aluno de mestrado na George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, construíram terrenos para imitar um ambiente natural inconsistente.

Ele então testou o robô aumentando seu número de pernas em duas a cada vez, começando com seis e eventualmente expandindo para 16. À medida que a contagem de pernas aumentava, o robô podia se mover com mais agilidade pelo terreno, mesmo sem sensores, como a teoria previa. Eventualmente, eles testaram o robô ao ar livre em terreno real, onde ele foi capaz de atravessar uma variedade de ambientes.

“É realmente impressionante testemunhar a proficiência do robô de várias pernas em navegar tanto em terrenos baseados em laboratório quanto em ambientes externos”, disse Juntao. “Enquanto os robôs bípedes e quadrúpedes dependem fortemente de sensores para atravessar terrenos complexos, nosso robô multipernas utiliza redundância de pernas e pode realizar tarefas semelhantes com controle de malha aberta”.

Próximos passos

Os pesquisadores já estão aplicando suas descobertas na agricultura. Goldman fundou uma empresa que pretende usar esses robôs para remover ervas daninhas de terras agrícolas onde os herbicidas são ineficazes.

“Eles são como um Roomba, mas fora de terreno complexo”, disse Goldman. “Um Roomba funciona porque tem rodas que funcionam bem em terreno plano. Até o desenvolvimento de nossa estrutura, não podíamos prever com segurança a confiabilidade locomotora em terrenos acidentados, rochosos e cheios de detritos. Agora temos o início de tal esquema, que poderia ser usado para garantir que nossos robôs atravessem um campo de cultivo em um determinado período de tempo.”

Os pesquisadores também querem refinar o robô. Eles sabem por que a estrutura do robô centopéia é funcional, mas agora estão determinando o número ideal de pernas para obter movimento sem detecção de uma maneira econômica e ainda assim reter os benefícios.

“Neste artigo, perguntamos: ‘Como você prevê o número mínimo de pernas para realizar tais tarefas?'”, disse Chong. “Atualmente, apenas provamos que o número mínimo existe, mas não sabemos o número exato de pernas. necessário. Além disso, precisamos entender melhor a compensação entre energia, velocidade, potência e robustez em um sistema tão complexo.”