O pequeno robô ‘rinoceronte besouro’ faz manipulação de microescala em condições extremas

Os engenheiros projetaram um robô minúsculo, baixo e sem fio que pode agir de forma independente e com precisão ultra-alta em todas as direções em algumas das condições mais extremas. O robô, que os designers chamam de “besouro holonômico 3” (ou HB-3)-como foram inspirados pelos movimentos e anatomia do besouro do rinoceronte-combina o uso de atuadores piezoelétricos com tecnologia autônoma para ativar as tarefas de manipulação de micro-escala que estavam fora do alcance para robôs.

O HB-3 atende a uma necessidade crescente em vários setores-incluindo automação laboratorial, procedimentos médicos e pesquisas científicas-para manipulação precisa em várias escalas, desde a manipulação de nanomateriais e celulares até a montagem de componentes de chip, onde a presença humana é limitada ou impossível. Isso é particularmente necessário nas câmaras de segurança a vácuo, limpo, rascunho e biohazard.

Um artigo que descreve o design e as capacidades do robô foi publicado na revista Sistemas Inteligentes Avançados em 26 de janeiro.

Nos últimos anos, robôs autônomos (sem fio) foram utilizados em vários setores industriais, locais de desastre, campos médicos e ambientes extremos ou espaços confinados onde o acesso humano não é viável. Enquanto isso, a miniaturização de componentes eletrônicos internos para todos os tipos de dispositivos também prosseguiu em ritmo acelerado, incluindo o desenvolvimento de microbatterias e micro-supercapacitores com apenas alguns microns de espessura.

No entanto, os dispositivos de posicionamento convencionais permaneceram teimosamente volumosos e pesados ​​em comparação com essas partes minúsculas; portanto, havia muito espaço para melhorias em relação à energia e eficiência espacial. Mesmo que os circuitos e baterias de direção tenham se tornado pequenos, seu alcance e a liberdade operacional ainda eram altamente restritos.

Para resolver essas questões, vários atuadores de precisão – os “músculos” de um robô, basicamente, que convertem energia (elétrica, hidráulica ou pneumática) em movimento – foram desenvolvidos para melhorar esses dispositivos de posicionamento. Os atuadores piezoelétricos, em particular, mostraram grande promessa.

Materiais piezoelétricos, como o quartzo, em relógios de quartzo ou cerâmica sintética, como a PZT (titanato de zirconato de chumbo), geram uma carga elétrica quando submetidos a tensão mecânica (essencialmente um empurrão ou um aperto). Eles também executam o reverso: deformando quando um campo elétrico é aplicado. Essa propriedade piezoelétrica permite movimentos ultrafinos ultra-finos, expandindo ou contratando em resposta a sinais elétricos com muita precisão, geralmente na escala de nanômetros.

No entanto, embora muitos robôs e garra em miniatura tenham sido desenvolvidos, até agora não houve micromanipuladores móveis que integram tecnologias de atuação piezoelétrica, além de serem autônomos e não terem sido adaptadas e adaptadas a aplicações do mundo real.

No coração do design do HB-3 está sua estrutura compacta e leve-apenas 515 gramas e medindo apenas 10 centímetros cúbicos de tamanho. Um circuito de direção integrado usando um computador de placa única elimina os problemas causados ​​por cabos de fornecimento de energia nas pesquisas anteriores da equipe. O HB-3 também está equipado com uma câmera interna e executa tarefas usando algoritmos de aprendizado de máquina que permitem ajustar seus movimentos em tempo real, um recurso não encontrado nos micromanipuladores anteriores.

In rigorous testing, the HB-3 demonstrated impressive performance across a variety of tasks in confined, isolated environments using different tools, such as precise tweezers for picking and placing a chip part or an injector for applicating a miniscule droplet, while enjoying an average positioning accuracy of just 0.08 mm along the x-axis and 0.16 mm along the y-axis, with 87% of tasks deemed successful. As ferramentas podem ser convertidas em sondas de medição, ferros de solda, chaves de fenda e outros instrumentos de precisão com flexibilidade sob demanda e em muitas escalas diferentes do medidor até o nanômetro.

“Conseguimos ultrapassar os limites da miniaturização para criar um dispositivo verdadeiramente autônomo e sem problemas que pode operar em espaços apertados e perigosos”, disse Ohmi Fuchiwaki, professor associado da Faculdade de Engenharia, da Universidade Nacional de Yokohama e um dos engenheiros por trás da pequena máquina. “O HB-3 pode não apenas lidar com tarefas complexas, mas também fazê-lo com precisão incomparável”.

No entanto, a equipe ainda quer ajustar seu pequeno besouro. Eles acham que a velocidade de processamento do HB-3, dependente de uma CPU de Raspberry Pi, poderia ser melhorada, e o tempo que leva para o robô detectar objetos pode ser reduzido, talvez descarregando a detecção de objetos para um computador externo de alta e maior desempenho. Avançando, os pesquisadores também pretendem melhorar sua velocidade e precisão e explorar a integração das câmeras internas de visão lateral e de primeira vista para melhorar a precisão do posicionamento do eixo Z.