Novos robôs ajudam a entender como os insetos desenvolveram duas estratégias distintas de voo

Robôs construídos por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego ajudaram a alcançar um grande avanço na compreensão de como o voo dos insetos evoluiu, conforme descrito na revista Natureza. O estudo é resultado de uma colaboração de seis anos entre roboticistas da UC San Diego e biofísicos do Georgia Institute of Technology.

As descobertas se concentram em como os dois modos diferentes de voo evoluíram nos insetos. A maioria dos insetos usa o cérebro para ativar os músculos de vôo a cada batida de asa, assim como ativamos os músculos das pernas a cada passo que damos. Isso é chamado de vôo síncrono.

Mas alguns insetos, como os mosquitos, são capazes de bater as asas sem que o sistema nervoso comande cada batida de asa. Em vez disso, os músculos desses animais são ativados automaticamente quando são alongados. Isso é chamado de vôo assíncrono. O voo assíncrono é comum em alguns dos insetos dos quatro principais grupos de insetos, permitindo-lhes bater as asas em grandes velocidades, permitindo que alguns mosquitos batam as asas mais de 800 vezes por segundo, por exemplo.

Durante anos, os cientistas presumiram que os quatro grupos de insetos – abelhas, moscas, besouros e insetos verdadeiros (Hemiptera) – evoluíram em voos assíncronos separadamente. No entanto, uma nova análise realizada pela equipe da Georgia Tech conclui que o voo assíncrono, na verdade, evoluiu junto em um ancestral comum. Depois, alguns grupos de espécies de insetos voltaram ao voo síncrono, enquanto outros permaneceram assíncronos.

A descoberta de que alguns insetos, como as mariposas, evoluíram de vôo síncrono para assíncrono e depois de volta ao vôo síncrono levou os pesquisadores a um caminho de investigação que exigiu experimentos matemáticos, com insetos e robôs. Esta nova descoberta evolutiva colocou duas questões fundamentais: os músculos das mariposas exibem assinaturas da sua assincronia anterior e como pode um inseto manter propriedades síncronas e assíncronas nos seus músculos e ainda ser capaz de voar?

O espécime ideal para estudar essas questões de evolução síncrona e assíncrona é o Hawkmoth. Isso ocorre porque as mariposas usam voo síncrono, mas o registro evolutivo nos diz que elas têm ancestrais com voo assíncrono.

Pesquisadores da Georgia Tech procuraram primeiro medir se assinaturas de assincronia podem ser observadas no músculo Hawkmoth. Através da caracterização mecânica do músculo, eles descobriram que os Hawkmoths ainda mantêm as características físicas dos músculos de voo assíncronos – mesmo que não sejam usados.

Como pode um inseto ter propriedades síncronas e assíncronas e ainda assim voar? Para responder a esta questão, os investigadores perceberam que a utilização de robôs lhes permitiria realizar experiências que nunca poderiam ser feitas em insetos. Por exemplo, eles seriam capazes de equipar os robôs com motores que poderiam emular combinações de músculos assíncronos e síncronos e testar quais transições poderiam ter ocorrido durante os milhões de anos de evolução do voo.

O trabalho destaca o potencial da robofísica – a prática de usar robôs para estudar a física dos sistemas vivos, disse Nick Gravish, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e um dos autores seniores do artigo.

“Conseguimos fornecer uma compreensão de como poderia ocorrer a transição entre voos assíncronos e síncronos”, disse Gravish. “Ao construir um robô com asas batendo, ajudamos a fornecer uma resposta a uma questão evolutiva na biologia.”

Essencialmente, se você está tentando entender como os animais – ou outras coisas – se movem em seu ambiente, às vezes é mais fácil construir um robô que tenha características semelhantes a essas coisas e se mova pelo mesmo ambiente, disse James Lynch, que ganhou seu prêmio. Ph.D. no laboratório de Gravish e é um dos principais coautores do artigo.

“Uma das maiores descobertas evolutivas aqui é que essas transições estão ocorrendo em ambas as direções, e que em vez de múltiplas origens independentes de músculo assíncrono, na verdade existe apenas uma”, disse Brett Aiello, professor assistente de biologia na Universidade Seton Hill e um dos co-primeiros autores. Ele fez o trabalho de seu estudo quando era pesquisador de pós-doutorado no laboratório do professor Simon Sponberg da Georgia Tech. “A partir dessa origem independente, ocorreram múltiplas revisões de volta à sincronia.”

Construindo modelos robóticos de insetos

Lynch e o co-autor Jeff Gau, Ph.D. estudante da Georgia Tech, trabalharam juntos para estudar mariposas e medir sua atividade muscular em condições de vôo. Eles então construíram um modelo matemático dos movimentos de bater as asas da mariposa.

Lynch levou o modelo de volta para a UC San Diego, onde traduziu o modelo matemático em comandos e algoritmos de controle que poderiam ser enviados a um robô que imitava a asa de uma mariposa. Os robôs que ele construiu acabaram sendo muito maiores que as mariposas – e, como resultado, mais fáceis de observar. Isso porque na física dos fluidos, um objeto muito grande movendo-se muito lentamente através de um meio mais denso – neste caso a água – comporta-se da mesma maneira que um objeto muito pequeno movendo-se muito mais rapidamente através de um meio mais fino – neste caso o ar.

“Nós dimensionamos este robô dinamicamente para que este robô muito maior, movendo-se muito mais lentamente, representasse uma asa muito menor, movendo-se muito mais rápido”, disse Lynch.

A equipe fez dois robôs: um grande robô melindroso modelado a partir de uma mariposa para entender melhor como funcionavam as asas, que eles implantaram na água. Eles também construíram um robô melindroso muito menor que operava no ar (modelado a partir da abelha robótica de Harvard).

Descobertas, desafios e próximos passos

Os experimentos de robô e modelagem ajudaram os pesquisadores a testar como um inseto poderia fazer a transição do vôo síncrono para o assíncrono. Por exemplo, os pesquisadores conseguiram criar um robô com motores que pudesse combinar vôo síncrono e assíncrono e ver se ele seria realmente capaz de voar. Eles descobriram que, nas circunstâncias certas, um inseto poderia fazer a transição entre os dois modos de forma gradual e suave.

“As experiências com robôs forneceram um caminho possível para esta evolução e transição”, disse Gravish.

Lynch encontrou vários desafios, incluindo modelar o fluxo de fluido ao redor dos robôs e modelar a propriedade de feedback do músculo do inseto quando esticado. Lynch conseguiu resolver isso simplificando o modelo tanto quanto possível, garantindo que ele permanecesse preciso. Após vários experimentos, ele também percebeu que teria que desacelerar os movimentos dos bots para mantê-los estáveis.

Os próximos passos da perspectiva da robótica incluirão trabalhar com cientistas de materiais para equipar as melindrosas com materiais semelhantes a músculos.

“Além de ajudar a esclarecer a evolução e a biofísica do voo dos insetos, o trabalho traz benefícios para a robótica. Robôs com motores assíncronos podem se adaptar e responder rapidamente ao ambiente, como durante uma rajada de vento ou colisão de asas”, disse Gravish. A pesquisa também poderia ajudar os roboticistas a projetar bots melhores com asas batendo.

“Este tipo de trabalho pode ajudar a inaugurar uma nova era de sistemas de asas oscilantes responsivos e adaptativos”, disse Gravish.