Pesquisadores criam pele biônica multirreceptora inspirada em ornitorrinco

Embora os engenheiros tenham desenvolvido sistemas bioinspirados cada vez mais avançados nas últimas décadas, as capacidades de detecção desses sistemas são normalmente muito menos avançadas do que aquelas observadas em humanos e outros animais.

O design e a fabricação de sensores e peles artificiais mais sofisticados poderiam melhorar ainda mais esses sistemas, permitindo que eles captassem com precisão uma ampla gama de informações sensoriais do ambiente.

Pesquisadores do Instituto de Nanoenergia e Nanossistemas de Pequim e da Universidade Tsinghua desenvolveram recentemente uma nova pele multirreceptora inspirada nas habilidades sensoriais do ornitorrinco, um animal intrigante que combina algumas características físicas de patos, castores e lontras.

O sistema de detecção multirreceptor da equipe, introduzido em Avanços da Ciênciapoderia ser usado para aumentar as capacidades de detecção de sistemas robóticos, táteis e protéticos.

“Durante uma conversa, minha filha de 9 anos, Oriana Wei, me contou sobre um documentário sobre ornitorrincos que ela assistiu no Reino Unido”, disse Di Wei, autor principal do artigo, ao Tech Xplore. “Ela perguntou: ‘Você sabia que o ornitorrinco é um mamífero que põe ovos e que não depende dos olhos para caçar?’

“A pergunta dela despertou minha curiosidade sobre as habilidades sensoriais do ornitorrinco. Essa curiosidade levou a uma exploração mais profunda do notável sistema sensorial do ornitorrinco, o que finalmente inspirou esta pesquisa.”

O ornitorrinco tem um sistema sensorial duplo único que o diferencia de vários outros animais aquáticos e ovíparos. Este sofisticado sistema sensorial permite que ele detecte mudanças elétricas e mecânicas em seu ambiente, aumentando sua capacidade de detectar presas ou ameaças potenciais sem depender de sua visão.

“Nosso objetivo era replicar as capacidades do ornitorrinco em uma pele artificial que combinasse funcionalidades táteis e de telepercepção”, disse Wei. “Nosso objetivo principal era estender o alcance perceptual dos sistemas artificiais, permitindo que os robôs detectassem e interagissem com seu ambiente sem depender somente do contato físico.

“Isso poderia melhorar significativamente a interação e o controle em aplicações robóticas, superando as limitações dos sensores táteis tradicionais que dependem do contato direto para funcionar de forma eficaz.”

O design de pele inspirado no ornitorrinco desenvolvido por Wei e seus colegas é baseado em dois princípios-chave, a saber, eletrificação de contato e indução eletrostática. Quando toca outro material, a sobreposição de nuvens de elétrons nos dois materiais facilita a transferência de elétrons, gerando, em última análise, eletricidade triboelétrica. Isso permite que a pele perceba estímulos táteis.

Para reunir informações sensoriais de longe (ou seja, telepercepção), a pele, em vez disso, depende da indução eletrostática. Essencialmente, a dopagem estruturada de nanopartículas no elastômero em que a pele é baseada aumenta a polarização dielétrica, permitindo que o sistema detecte mudanças em campos elétricos quando objetos carregados estão próximos.

“Em termos de composição, a pele multirreceptora segue um design de eletrodo único”, explicou Wei. “Ela compreende uma película fina de PTFE e PDMS, um elastômero dopado estruturado incorporado com nanopartículas inorgânicas não metálicas para aumentar as propriedades dielétricas, uma camada de nanofio de prata (AgNW) funcionando como eletrodo e um substrato encapsulado em PDMS que fornece flexibilidade e proteção.”

A principal vantagem do sistema de detecção desenvolvido por Wei e seus colegas é seu design sensorial duplo, que imita as capacidades de eletrorrecepção e mecanorrecepção dos ornitorrincos. Este design exclusivo permite que a pele detecte objetos com precisão e reúna informações táteis com alta sensibilidade, tanto ao tocá-los quanto de longe.

“Ao contrário dos sensores tradicionais sem contato ou de pré-contato, que normalmente dependem da detecção de mudanças na proximidade ou na capacitância básica, nossa pele multirreceptora oferece uma abordagem fundamentalmente diferente por meio de mecanismos de polarização aprimorados”, disse Wei.

“Sistemas tradicionais frequentemente sofrem de limitações em sensibilidade e precisão devido a interações de carga mais fracas ou detecção de carga em nível de superfície. O nosso aprimora a captura de carga alavancando um elastômero dopado estruturado, que amplifica campos elétricos locais e aumenta a polarização dielétrica.”

Quando combinada com técnicas de aprendizado profundo, a pele inspirada no ornitorrinco da equipe obteve resultados altamente promissores, permitindo a rápida identificação de materiais com precisão de 99,56%, bem como a detecção de objetos distantes.

Em comparação com os sistemas de detecção convencionais, que muitas vezes têm dificuldade para regular a carga e detectar objetos em ambientes variados, descobriu-se que a pele multirreceptora controla melhor sua carga, ao mesmo tempo em que mantém sua estabilidade em cenários dinâmicos do mundo real.

“Nós replicamos de forma abrangente o mecanismo de eletrorrecepção do ornitorrinco”, disse Wei. “Especificamente, descobrimos que a dopagem estruturada de nanopartículas no elastômero corresponde ao arranjo altamente ordenado do eletrorreceptor do ornitorrinco em seu bico. Este design exclusivo aumenta significativamente a sensibilidade, permitindo a captura precisa de carga.

“Além disso, descobrimos que a forte eletronegatividade da pele multirreceptora reflete os receptores de polaridade única do ornitorrinco, alcançando um controle de carga dinâmico semelhante ao seu sistema natural.”

A pele projetada por esta equipe de pesquisadores pode contribuir para o desenvolvimento de novas tecnologias que podem sentir objetos de longe, também conhecidas como sistemas de telepercepção. Esses sistemas podem ter uma ampla gama de aplicações no mundo real, variando de monitoramento ambiental em climas extremos a interação homem-máquina e navegação autônoma de robôs.

“Em termos práticos, essa replicação bioinspirada do sistema sensorial duplo do ornitorrinco — combinando percepção tátil e tele — marca um grande avanço na detecção multimodal”, disse Wei. “Essa inovação aborda as limitações dos sensores tradicionais sem contato, permitindo um desempenho mais preciso e confiável em ambientes desafiadores.”

O trabalho recente de Wei e seus colegas pode abrir caminho para o desenvolvimento de outros sistemas de detecção que dependem de designs sensoriais duais. Enquanto isso, os pesquisadores estão trabalhando para melhorar ainda mais seu sistema multirreceptor, aumentando sua versatilidade e facilitando sua implantação em larga escala.

“Nossa pesquisa futura se concentrará em aprimorar as capacidades do receptor eletrônico não apenas por meio de uma integração mais profunda da inteligência artificial, mas também por meio do avanço de inovações de materiais para estender o alcance e a precisão da detecção de campo elétrico”, disse Wei.

“Especificamente, pretendemos melhorar a adaptabilidade e a robustez do sistema em ambientes extremos ou imprevisíveis. Além disso, refinaremos o receptor eletrônico incorporando modalidades sensoriais adicionais, permitindo que ele responda a estímulos mais complexos e ofereça uma gama mais ampla de percepção.”

Como parte de seus próximos estudos, Wei e seus colegas também tentarão otimizar as capacidades de processamento de dados de seu sistema, para que ele possa processar dados de forma confiável e detectar objetos com precisão em tempo real. Isso pode ser particularmente vantajoso para aplicações que exigem o processamento rápido de dados sensoriais, como veículos autônomos e interfaces homem-máquina.

“Ao expandir os limites da telepercepção e da tecnologia sensorial, também esperamos expandir a aplicabilidade da nossa pele em robótica avançada, dispositivos médicos e muito mais”, acrescentou Wei.

© 2024 Rede Ciência X