Estudante de pós-graduação ajuda a projetar ‘músculos artificiais’ que você pode jogar na lixeira

Diga “olá” aos robôs do futuro: eles são macios e flexíveis o suficiente para ricochetear nas paredes ou se espremer em espaços apertados. E quando terminar com eles, você pode jogar essas máquinas em uma caixa de compostagem para se decompor.

Essa é a visão de uma equipe de engenheiros, incluindo a estudante de pós-graduação da CU Boulder, Ellen Rumley. Em um artigo publicado no mês passado na revista Avanços da ciência, os pesquisadores descreveram seus projetos para um novo tipo de atuadores robóticos, ou “músculos artificiais”. Os atuadores do grupo, que funcionam deslocando o fluido em bolsas moles, podem alimentar braços e pernas robóticos com movimentos realistas. Eles também se dissolvem naturalmente no solo por um período de alguns meses, tornando-os muito mais sustentáveis ​​do que os modelos anteriores.

“Você pode descartá-los em uma caixa de compostagem industrial”, disse Rumley, co-autor do novo estudo e pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica Paul M. Rady na CU Boulder. “Esperamos que o projeto inspire outros engenheiros a desenvolver a robótica com a sustentabilidade em mente.”

Pense em Baymax, o robô fofinho do filme Big Hero 6, misturado com uma sacola de supermercado biodegradável.

O projeto surgiu de um esforço de longa duração liderado por Christoph Keplinger, ex-professor assistente de engenharia mecânica na CU Boulder e agora diretor do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart, Alemanha. Em 2018, ele e seus colegas lançaram uma linha de músculos artificiais que eles chamam de atuadores eletrostáticos de autocura amplificada hidraulicamente (HASEL). Como os músculos humanos, esses atuadores podem dobrar braços robóticos como um bíceps ou apertar garras e garras.

Mas o que eles não podiam fazer, até agora, era desaparecer em um aterro sanitário.

No novo estudo, a equipe desenvolveu uma série de atuadores robóticos macios inteiramente feitos de ingredientes sustentáveis. Os músculos são tão versáteis quanto os atuadores HASEL tradicionais e, em alguns casos, podem flexionar por 100.000 ciclos ou mais sem quebrar.

“Foi particularmente empolgante termos criado um sistema de materiais totalmente biodegradável e que ainda pode corresponder às principais métricas de desempenho de atuadores feitos de materiais não biodegradáveis”, disse Keplinger, cofundador da Artimus Robotics, uma empresa com sede em Boulder que desenvolve e vende atuadores HASEL.

“A sustentabilidade do novo sistema de materiais agora abre caminhos muito interessantes para aplicações que requerem componentes projetados para uso único ou de curto prazo, por exemplo, na área de manipulação de alimentos ou aplicações médicas.”

Músculos artificiais para robôs

A própria busca de Rumley por um tipo diferente de robô remonta a anos. Como estudante do ensino médio em Anchorage, Alasca, Rumley pertencia a um clube de robótica onde aprendeu a projetar robôs para as competições do FIRST Tech Challenge. Ela nunca conseguia superar a deselegância dos robôs rígidos feitos de metal e plástico.

“Senti que a rigidez dos robôs era um grande fator limitante de suas capacidades físicas”, disse Rumley, que iniciou seus estudos de pós-graduação em Boulder antes de se mudar para a Alemanha em 2020 para trabalhar como pesquisadora visitante no laboratório de Keplinger. “Isso foi especialmente chocante quando você viu uma pessoa andando ao lado de um robô.”

Os robôs macios, no entanto, poderiam potencialmente resolver esses problemas combinando os avanços da engenharia com a elasticidade e flexibilidade dos organismos biológicos.

Os atuadores HASEL são compostos de óleo de transformador dentro de bolsas plásticas, que são parcialmente cobertas por uma fina camada de um condutor elétrico. Se você aplicar eletricidade nos condutores, a bolsa irá “fechar”, disse Rumley, espremendo o fluido de uma ponta à outra. Como resultado, as bolsas mudam de forma e podem aplicar força a dispositivos como um membro robótico.

Keplinger ajudou a fundar a Artimus Robotics para comercializar os atuadores em 2018 ao lado de Tim Morrissey, Eric Acome, Shane Mitchell e Nick Kellaris com o apoio da Venture Partners na CU Boulder. Kellaris, que obteve seu doutorado na CU Boulder em ciência e engenharia de materiais em 2020, também foi coautor do novo artigo.

No novo estudo, Rumley e seus colegas se propuseram a identificar componentes sustentáveis ​​que poderiam substituir todos os projetos iniciais.

“Estávamos em busca da combinação perfeita de materiais compatíveis que resultariam em um músculo biodegradável de alto desempenho”, disse ela.

Como parte de um esforço sistemático e extenso de ciência de materiais, Rumley e seus colegas testaram vários candidatos biodegradáveis ​​para substituir as bolsas de plástico em seus atuadores. Uma boa opção, uma mistura de poliéster biodegradável, é comumente usada em sacolas de compras e até vem estampada com imagens de cenouras.

Os projetos finais da equipe para músculos artificiais podem erguer quase tão bem quanto os atuadores HASEL comuns e serão degradados em uma instalação de compostagem em cerca de 6 meses.

robôs do futuro

Rumley, que recebeu em 2020 a Bolsa de Pesquisa de Pós-Graduação da Fundação Nacional de Ciências dos EUA, obterá seu doutorado na CU Boulder, mas passará o resto de seu tempo como estudante na Europa. Lá, ela aprendeu a falar um pouco de alemão e gosta da vida internacional, embora às vezes anseie pelas paisagens abertas do Colorado e do Alasca.

“Sinto falta de entrar em um rio e pegar um salmão”, disse ela. “Isso não é grande na Alemanha.”

Mas o engenheiro diz que vale a pena fazer parte de uma equipe de pesquisadores que ajudam a inaugurar uma nova era da robótica. Keplinger, por exemplo, imaginou que os atuadores HASEL poderiam um dia alimentar “exossuits” semelhantes ao Homem de Ferro que poderiam ajudar pessoas paralisadas a andar.

“Os aplicativos são realmente empolgantes, especialmente para dispositivos que podem ajudar pessoas com deficiência física”, disse Rumley. “Estou motivado a desenvolver tecnologia capaz de capacitar populações carentes.”