Engenheiros projetam ‘esqueletos’ flexíveis para robôs macios e movidos por músculos

Nossos músculos são os atuadores perfeitos da natureza – dispositivos que transformam energia em movimento. Pelo seu tamanho, as fibras musculares são mais poderosas e precisas do que a maioria dos atuadores sintéticos. Eles podem até curar danos e ficar mais fortes com exercícios.

Por estas razões, os engenheiros estão explorando maneiras de alimentar robôs com músculos naturais. Eles demonstraram um punhado de robôs “biohíbridos” que usam atuadores baseados em músculos para alimentar esqueletos artificiais que andam, nadam, bombeiam e seguram. Mas para cada bot, há uma construção muito diferente e nenhum plano geral de como tirar o máximo proveito dos músculos de qualquer projeto de robô.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um dispositivo semelhante a uma mola que poderia ser usado como um módulo básico semelhante a um esqueleto para quase qualquer bot musculoso. A nova mola, ou “flexão”, foi projetada para extrair o máximo de trabalho de qualquer tecido muscular anexado. Como um leg press ajustado com a quantidade certa de peso, o dispositivo maximiza a quantidade de movimento que um músculo pode produzir naturalmente.

Os pesquisadores descobriram que quando encaixaram um anel de tecido muscular no dispositivo, semelhante a um elástico esticado em torno de dois postes, o músculo puxou a mola de forma confiável e repetida e esticou-a cinco vezes mais, em comparação com outros designs de dispositivos anteriores.

A equipe vê o projeto de flexão como um novo bloco de construção que pode ser combinado com outras flexões para construir qualquer configuração de esqueletos artificiais. Os engenheiros podem então equipar os esqueletos com tecidos musculares para impulsionar seus movimentos.

“Essas flexões são como um esqueleto que as pessoas agora podem usar para transformar a atuação muscular em vários graus de liberdade de movimento de uma forma muito previsível”, diz Ritu Raman, professor de desenvolvimento de carreira Brit e Alex d’Arbeloff em Design de Engenharia no MIT. “Estamos dando aos roboticistas um novo conjunto de regras para criar robôs poderosos e precisos, movidos por músculos, que fazem coisas interessantes.”

Raman e seus colegas relatam os detalhes do novo design de flexão em um artigo publicado hoje na revista Sistemas Inteligentes Avançados. Os coautores do estudo no MIT incluem Naomi Lynch ’12, SM ’23; estudante de graduação Tara Sheehan; os alunos de pós-graduação Nicolas Castro, Laura Rosado e Brandon Rios; e professor de engenharia mecânica Martin Culpepper.

Tração muscular

Quando deixado sozinho em uma placa de Petri em condições favoráveis, o tecido muscular se contrairá por conta própria, mas em direções que não são totalmente previsíveis ou de muita utilidade.

“Se o músculo não estiver ligado a nada, ele se moverá muito, mas com enorme variabilidade, apenas se debatendo no líquido”, diz Raman.

Os engenheiros normalmente prendem uma faixa de tecido muscular entre dois postes pequenos e flexíveis para fazer o músculo funcionar como um atuador mecânico. À medida que a faixa muscular se contrai naturalmente, ela pode dobrar os postes e juntá-los, produzindo algum movimento que, idealmente, alimentaria parte de um esqueleto robótico. No entanto, nestes designs, os músculos produziram movimentos limitados, principalmente porque os tecidos são muito variáveis ​​na forma como contactam os postes.

Dependendo de onde os músculos estão colocados nos postes e de quanto da superfície muscular está tocando o poste, os músculos podem conseguir unir os postes, mas, em outras ocasiões, podem oscilar de maneira incontrolável.

O grupo de Raman procurou projetar um esqueleto que focasse e maximizasse as contrações musculares, independentemente de exatamente onde e como ele é colocado no esqueleto, para gerar o máximo de movimento de uma forma previsível e confiável.

“A questão é: como podemos projetar um esqueleto que utilize de forma mais eficiente a força que o músculo está gerando?” Raman diz.

Os pesquisadores primeiro consideraram as múltiplas direções que um músculo pode mover naturalmente. Eles raciocinaram que se um músculo puxasse dois postes juntos ao longo de uma direção específica, os postes deveriam ser conectados a uma mola que só lhes permitisse se mover naquela direção quando puxados.

“Precisamos de um dispositivo que seja muito macio e flexível em uma direção e muito rígido em todas as outras direções, para que quando um músculo se contraia, toda essa força seja eficientemente convertida em movimento em uma direção”, diz Raman.

Flexibilidade suave

Acontece que Raman encontrou muitos desses dispositivos no laboratório do professor Martin Culpepper. O grupo de Culpepper no MIT é especializado no projeto e fabricação de elementos de máquinas, como atuadores em miniatura, rolamentos e outros mecanismos que podem ser incorporados em máquinas e sistemas para permitir movimento, medição e controle ultraprecisos para uma ampla variedade de aplicações.

Entre os elementos usinados com precisão do grupo estão flexões – dispositivos semelhantes a molas, muitas vezes feitos de vigas paralelas, que podem flexionar e esticar com precisão nanométrica.

“Dependendo de quão finas e distantes são as vigas, você pode alterar a rigidez da mola”, diz Raman.

Ela e Culpepper se uniram para projetar uma flexão especificamente adaptada com uma configuração e rigidez para permitir que o tecido muscular se contraia e estique ao máximo a mola naturalmente. A equipe projetou a configuração e as dimensões do dispositivo com base em vários cálculos realizados para relacionar as forças naturais de um músculo com a rigidez e o grau de movimento de uma flexão.

A flexão que eles projetaram é 1/100 da rigidez do próprio tecido muscular. O dispositivo se assemelha a uma estrutura em miniatura, semelhante a um acordeão, cujos cantos são fixados a uma base subjacente por um pequeno poste, que fica próximo a um poste vizinho que se encaixa diretamente na base.

Raman então envolveu uma faixa de músculo em torno dos dois postes de canto (a equipe moldou as faixas a partir de fibras musculares vivas que cresceram a partir de células de camundongos) e mediu o quão perto os postes estavam unidos à medida que a faixa muscular se contraía.

A equipe descobriu que a configuração da flexão permitiu que a faixa muscular se contraísse principalmente ao longo da direção entre os dois postes. Essa contração concentrada permitiu que o músculo aproximasse os postes muito mais próximos – cinco vezes mais próximos – em comparação com projetos anteriores de atuadores musculares.

“A flexão é um esqueleto que projetamos para ser muito macio e flexível em uma direção e muito rígido em todas as outras”, diz Raman. “Quando o músculo se contrai, toda a força é convertida em movimento naquela direção. É uma ampliação enorme.”

A equipe descobriu que poderia usar o dispositivo para medir com precisão o desempenho e a resistência muscular. Quando variaram a frequência das contrações musculares (por exemplo, estimulando as bandas a se contraírem uma vez em vez de quatro vezes por segundo), observaram que os músculos “ficavam cansados” em frequências mais altas e não geravam tanta tração.

“Observar a rapidez com que os nossos músculos se cansam e como podemos exercitá-los para obter respostas de alta resistência – isto é o que podemos descobrir com esta plataforma”, diz Raman.

Os pesquisadores estão agora adaptando e combinando flexões para construir robôs precisos, articulados e confiáveis, movidos por músculos naturais.

“Um exemplo de robô que estamos tentando construir no futuro é um robô cirúrgico que pode realizar procedimentos minimamente invasivos dentro do corpo”, diz Raman. “Tecnicamente, os músculos podem alimentar robôs de qualquer tamanho, mas estamos particularmente entusiasmados em fabricar robôs pequenos, pois é aqui que os atuadores biológicos se destacam em termos de força, eficiência e adaptabilidade.”

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.