Novo robô nada e salta como um gafanhoto de arroz chinês

O biólogo, cientista de materiais e especialista em biônica Professor Stanislav N. Gorb e sua equipe do Instituto de Zoologia da Universidade de Kiel são conhecidos por analisar as habilidades espetaculares dos animais e traduzi-las em aplicações técnicas inovadoras. Por exemplo, eles criaram braços robóticos baseados no modelo de insetos e em uma película adesiva destacável que funciona de maneira semelhante aos órgãos adesivos de insetos, aranhas e lagartixas.

Em um artigo recém-publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências, Gorb examinou o gafanhoto chinês do arroz Oxya chinensis em colaboração com pesquisadores da China. “A sua capacidade de nadar e saltar fora da água oferece uma inspiração importante para a robótica avançada”, explicou o chefe do grupo de trabalho de Morfologia Funcional e Biomecânica.

A locomoção extremamente rápida do gafanhoto na superfície da água, especialmente a forma como salta na água, tem sido pouco investigada até agora. “Nosso trabalho não apenas revelou os mecanismos combinados responsáveis ​​por facilitar as acrobacias aquáticas nesta espécie, mas também lançou as bases para o desenvolvimento de robôs bioinspirados que podem se mover em terrenos variados”, disse Gorb.

Acrobacias aquáticas através de uma combinação de forças estáticas e dinâmicas

O gafanhoto do arroz chinês é comum na região de cultivo de arroz da China, especialmente ao longo do rio Yangtze, e é particularmente adepto de acrobacias aquáticas para um animal terrestre. Se caírem na água, podem facilmente sair novamente e voar para longe.

Como exatamente eles fazem isso foi estudado detalhadamente em laboratório. Para o experimento, 15 gafanhotos (O. chinensis) com comprimento corporal (excluindo pernas) de 2,2 a 3,4 centímetros e peso de 0,4 a 1,0 gramas foram jogados em um tanque de vidro cheio de água. Eles permaneceram completamente inativos na superfície da água, flutuaram passivamente com o fluxo, nadaram ativamente ou pularam imediatamente.

“Filmamos os gafanhotos nadando ou pulando na caixa d’água, usando duas câmeras de alta velocidade”, disse Gorb. Um total de 48 tentativas de saltar e 54 tentativas de nadar pelos animais foram incluídas em análises posteriores. Os pesquisadores compararam a locomoção de salto e natação e depois analisaram os mecanismos usados ​​pelos gafanhotos para gerar forças que facilitam suas acrobacias aquáticas.

Medições de força e análises de modelos revelaram que o suporte do peso corporal através da pressão hidrostática pode ser alcançado proporcionalmente à massa dos gafanhotos, enquanto os impulsos de movimento são derivados de interações controladas entre os membros e a água (isto é, hidrodinâmica).

Nova estratégia de acionamento para robótica

Estudos anteriores concentraram-se principalmente em dois tipos de locomoção na superfície da água: locomoção que é suportada principalmente pela tensão superficial, usada, por exemplo, por striders aquáticos, e locomoção que é dominada pela dinâmica especial dos membros. Isto é usado, por exemplo, por lagartos basiliscos para correr na água. Nenhuma das estratégias é ideal para aplicações técnicas bioinspiradas.

“A locomoção dominada pela tensão superficial na água depende de superfícies superhidrofóbicas (não molháveis), o que não é fácil de conseguir para robôs grandes. E a locomoção aquática dominada pela dinâmica dos membros é baseada em golpes frequentes na superfície, tanto tanto por animais quanto por robôs, o que consome muita energia”, relatou Gorb.

A capacidade do gafanhoto chinês de saltar para fora da água baseia-se noutro princípio de propulsão que foi revelado agora pela primeira vez. “O gafanhoto exibiu uma combinação de dois mecanismos diferentes para facilitar suas acrobacias aquáticas, suportando seu peso por meio de forças hidráulicas estáticas e movendo seus corpos para frente por meio da hidrodinâmica.”

Depois de estudar as estratégias estruturais e comportamentais dos gafanhotos, Gorb e sua equipe construíram seu primeiro robô. Assim como os insetos, o protótipo pode nadar e pular na superfície da água movendo seus membros em velocidades variadas.