Perna de robô alimentada por músculos artificiais supera designs convencionais

Inventores e pesquisadores desenvolvem robôs há quase 70 anos. Até o momento, todas as máquinas que eles construíram — seja para fábricas ou outros lugares — têm uma coisa em comum: são movidas por motores, uma tecnologia que já tem 200 anos. Até mesmo robôs que andam têm braços e pernas que são movidos por motores, não por músculos como em humanos e animais. Isso sugere em parte por que eles não têm a mobilidade e a adaptabilidade de criaturas vivas.

Uma nova perna robótica movida a músculos não é apenas mais eficiente em termos de energia do que uma convencional, ela também pode realizar saltos altos e movimentos rápidos, bem como detectar e reagir a obstáculos — tudo sem a necessidade de sensores complexos. A nova perna foi desenvolvida por pesquisadores da ETH Zurich e do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) em uma parceria de pesquisa chamada Max Planck ETH Center for Learning Systems, conhecido como CLS.

A equipe do CLS foi liderada por Robert Katzschmann na ETH Zurich e Christoph Keplinger no MPI-IS. Seus alunos de doutorado Thomas Buchner e Toshihiko Fukushima são os primeiros coautores da publicação da equipe sobre uma perna robótica musculoesquelética inspirada em animais em Comunicações da Natureza.

Eletricamente carregado como um balão

Assim como em humanos e animais, um músculo extensor e um flexor garantem que a perna robótica possa se mover em ambas as direções. Esses atuadores eletro-hidráulicos, que os pesquisadores chamam de HASELs, são presos ao esqueleto por tendões.

Os atuadores são sacos plásticos cheios de óleo, semelhantes aos usados ​​para fazer cubos de gelo. Cerca de metade de cada saco é revestido em ambos os lados com um eletrodo preto feito de um material condutor.

Buchner explica, “Assim que aplicamos uma voltagem aos eletrodos, eles são atraídos um pelo outro devido à eletricidade estática. Similarmente, quando eu esfrego um balão na minha cabeça, meu cabelo gruda no balão devido à mesma eletricidade estática.”

À medida que a voltagem aumenta, os eletrodos se aproximam e empurram o óleo no saco para um lado, tornando o saco mais curto.

Pares desses atuadores presos a um esqueleto resultam nos mesmos movimentos musculares pareados que em criaturas vivas. À medida que um músculo encurta, seu equivalente alonga. Os pesquisadores usaram um código de computador que se comunica com amplificadores de alta voltagem para controlar quais atuadores se contraem e quais se estendem.

Mais eficiente que motores elétricos

Os pesquisadores compararam a eficiência energética de sua perna robótica com a de uma perna robótica convencional movida por um motor elétrico. Entre outras coisas, eles analisaram quanta energia é desnecessariamente convertida em calor.

“Na imagem infravermelha, é fácil ver que a perna motorizada consome muito mais energia se, por exemplo, tiver que se manter dobrada”, diz Buchner.

A temperatura na perna eletro-hidráulica, em contraste, permanece a mesma. Isso ocorre porque o músculo artificial é eletrostático.

“É como o exemplo do balão e do cabelo, onde o cabelo fica preso ao balão por um bom tempo”, acrescenta Buchner.

“Normalmente, robôs movidos a motor elétrico precisam de gerenciamento de calor, o que requer dissipadores de calor ou ventiladores adicionais para difundir o calor para o ar. Nosso sistema não os requer”, diz Fukushima.

Movimento ágil em terrenos irregulares

A capacidade da perna robótica de saltar é baseada em sua capacidade de levantar seu próprio peso de forma explosiva. Os pesquisadores também mostraram que a perna robótica tem um alto grau de adaptabilidade, o que é particularmente importante para a robótica suave. Somente se o sistema musculoesquelético tiver elasticidade suficiente, ele pode se adaptar de forma flexível ao terreno em questão.

“Não é diferente com criaturas vivas. Se não podemos dobrar os joelhos, por exemplo, andar em uma superfície irregular se torna muito mais difícil”, diz Katzschmann. “Pense em dar um passo para baixo da calçada para a estrada.”

Em contraste com motores elétricos que exigem sensores para indicar constantemente o ângulo da perna robótica, o músculo artificial se adapta a uma posição adequada por meio da interação com o ambiente. Isso é acionado apenas por dois sinais de entrada: um para dobrar a articulação e outro para estendê-la.

Fukushima explica: “A adaptação ao terreno é um aspecto fundamental. Quando uma pessoa pousa após saltar no ar, ela não precisa pensar antecipadamente se deve dobrar os joelhos em um ângulo de 90 graus ou 70 graus.” O mesmo princípio se aplica ao sistema musculoesquelético da perna robótica; ao pousar, a articulação da perna se move adaptativamente para um ângulo adequado, dependendo se a superfície é dura ou macia.

A tecnologia emergente abre novas possibilidades

O campo de pesquisa de atuadores eletro-hidráulicos ainda é jovem, tendo surgido há apenas seis anos.

“O campo da robótica está progredindo rapidamente com controles avançados e aprendizado de máquina; em contraste, houve muito menos progresso com hardware robótico, que é igualmente importante. Esta publicação é um lembrete poderoso de quanto potencial para inovação disruptiva vem da introdução de novos conceitos de hardware, como o uso de músculos artificiais”, diz Keplinger.

Katzschmann acrescenta que atuadores eletro-hidráulicos dificilmente serão usados ​​em máquinas pesadas em canteiros de obras, mas eles oferecem vantagens específicas sobre motores elétricos padrão. Isso é particularmente evidente em aplicações como pinças, onde os movimentos têm que ser altamente personalizados dependendo se o objeto sendo agarrado é, por exemplo, uma bola, um ovo ou um tomate.

Katzschmann tem uma ressalva: “Comparado a robôs ambulantes com motores elétricos, nosso sistema ainda é limitado. A perna está atualmente presa a uma haste, pula em círculos e ainda não consegue se mover livremente.”

Trabalhos futuros devem superar essas limitações, abrindo a porta para o desenvolvimento de robôs andantes reais com músculos artificiais. Ele elabora ainda mais: “Se combinarmos a perna robótica com um robô quadrúpede ou um robô humanoide com duas pernas, talvez um dia, quando for alimentado por bateria, possamos implantá-lo como um robô de resgate.”