Mão robótica energeticamente eficiente aprende a não deixar a bola cair

Os pesquisadores projetaram uma mão robótica de baixo custo e eficiente em termos de energia que pode agarrar uma variedade de objetos – e não deixá-los cair – usando apenas o movimento de seu pulso e a sensação em sua “pele”.

Agarrar objetos de diferentes tamanhos, formas e texturas é um problema fácil para um ser humano, mas desafiador para um robô. Pesquisadores da Universidade de Cambridge projetaram uma mão robótica macia impressa em 3D que não pode mover seus dedos independentemente, mas ainda pode realizar uma série de movimentos complexos.

A mão do robô foi treinada para agarrar diferentes objetos e foi capaz de prever se iria deixá-los cair usando as informações fornecidas por sensores colocados em sua “pele”.

Esse tipo de movimento passivo torna o robô muito mais fácil de controlar e muito mais eficiente em termos de energia do que os robôs com dedos totalmente motorizados. Os pesquisadores dizem que seu design adaptável pode ser usado no desenvolvimento de robótica de baixo custo, capaz de realizar movimentos mais naturais e aprender a agarrar uma ampla gama de objetos. Os resultados são relatados na revista Sistemas Inteligentes Avançados.

No mundo natural, o movimento resulta da interação entre o cérebro e o corpo. Isso permite que pessoas e animais se movam de maneiras complexas sem gastar quantidades desnecessárias de energia. Nos últimos anos, os componentes flexíveis começaram a ser integrados ao design robótico graças aos avanços nas técnicas de impressão 3D, que permitiram aos pesquisadores adicionar complexidade a sistemas simples e eficientes em termos de energia.

A mão humana é altamente complexa e recriar toda a sua destreza e adaptabilidade em um robô é um enorme desafio de pesquisa. A maioria dos robôs avançados de hoje não é capaz de realizar tarefas de manipulação que crianças pequenas podem realizar com facilidade. Por exemplo, os humanos sabem instintivamente quanta força usar ao pegar um ovo, mas para um robô isso é um desafio: força demais e o ovo pode quebrar; muito pouco, e o robô pode deixá-lo cair. Além disso, uma mão robótica totalmente acionada, com motores para cada articulação em cada dedo, requer uma quantidade significativa de energia.

No laboratório de robótica bioinspirada do professor Fumiya Iida, no Departamento de Engenharia de Cambridge, os pesquisadores desenvolveram possíveis soluções para ambos os problemas: uma mão robótica que pode agarrar uma variedade de objetos com a quantidade correta de pressão usando uma quantidade mínima de energia.

“Em experimentos anteriores, nosso laboratório mostrou que é possível obter uma amplitude significativa de movimento em uma mão robótica apenas movendo o pulso”, disse o co-autor Dr. Thomas George-Thuruthel, que agora trabalha na University College London ( UCL) Leste. “Queríamos ver se uma mão de robô baseada em movimento passivo poderia não apenas agarrar objetos, mas seria capaz de prever se iria soltar os objetos ou não, e se adaptar de acordo.”

Os pesquisadores usaram uma mão antropomórfica impressa em 3D implantada com sensores táteis, para que a mão pudesse sentir o que estava tocando. A mão só era capaz de movimentos passivos baseados no pulso.

A equipe realizou mais de 1.200 testes com a mão do robô, observando sua capacidade de agarrar pequenos objetos sem deixá-los cair. O robô foi inicialmente treinado usando pequenas bolas de plástico impressas em 3D e as agarrou usando uma ação pré-definida obtida por meio de demonstrações humanas.

“Esse tipo de mão tem um pouco de elasticidade: ela pode pegar coisas sozinha sem qualquer ação dos dedos”, disse o primeiro autor, Dr. Kieran Gilday, que agora trabalha na EPFL em Lausanne, na Suíça. “Os sensores táteis dão ao robô uma noção de quão bem a aderência está indo, então ele sabe quando está começando a escorregar. Isso o ajuda a prever quando as coisas vão falhar.”

O robô usou tentativa e erro para aprender que tipo de pegada seria bem-sucedida. Depois de terminar o treinamento com as bolas, ele tentou agarrar diferentes objetos, incluindo um pêssego, um mouse de computador e um rolo de plástico-bolha. Nesses testes, a mão conseguiu agarrar com sucesso 11 dos 14 objetos.

“Os sensores, que são como a pele do robô, medem a pressão aplicada ao objeto”, disse George-Thuruthel. “Não podemos dizer exatamente quais informações o robô está obtendo, mas teoricamente pode estimar onde o objeto foi agarrado e com quanta força”.

“O robô aprende que uma combinação de um movimento específico e um conjunto específico de dados do sensor levará à falha, o que o torna uma solução personalizável”, disse Gilday. “A mão é muito simples, mas pode pegar muitos objetos com a mesma estratégia.”

“A grande vantagem deste projeto é a amplitude de movimento que podemos obter sem usar nenhum atuador”, disse Iida. “Queremos simplificar a mão o máximo possível. Podemos obter muitas informações boas e um alto grau de controle sem nenhum atuador, de modo que, quando os adicionarmos, obteremos um comportamento mais complexo em um pacote mais eficiente. ”

Uma mão robótica totalmente acionada, além da quantidade de energia que requer, também é um problema de controle complexo. O design passivo da mão projetada por Cambridge, usando um pequeno número de sensores, é mais fácil de controlar, oferece uma ampla gama de movimentos e agiliza o processo de aprendizado.

No futuro, o sistema pode ser expandido de várias maneiras, como adicionando recursos de visão computacional ou ensinando o robô a explorar seu ambiente, o que permitiria que ele apreendesse uma gama maior de objetos.