Pesquisadores desenvolvem planadores bioinspirados transitórios a partir de amido de batata e resíduos de madeira

Sua tarefa é monitorar a condição dos ecossistemas, por exemplo no chão da floresta – e virar pó quando seu trabalho é feito: bioplanadores modelados no pepino de Java, que navega suas sementes dezenas de metros no ar. Pesquisadores da Empa desenvolveram esses sensores voadores sustentáveis ​​a partir de fécula de batata e resíduos de madeira.

Alexander von Humboldt, Charles Darwin e Ernest Shackleton iniciaram anos de árduas viagens de exploração para reunir impressões espetaculares e até então desconhecidas. Hoje, os pioneiros da observação ambiental moderna serão substituídos por coletores de dados contemporâneos e mais rápidos que registram ecoparâmetros importantes em tempo real e sem nenhum risco.

Os pesquisadores da Empa no laboratório Sustainability Robotics em Dübendorf estão, portanto, desenvolvendo sensores e dispositivos voadores sustentáveis ​​e de baixo custo que podem coletar dados ambientais de maneira energeticamente eficiente, fechada e autônoma, mesmo em áreas inacessíveis, os chamados bioplanadores. Os ingredientes: batatas, alguns restos de madeira e um líquen de tinturaria.

Teste decisivo na floresta

Como folhas que caem no outono, eles navegam silenciosamente até o chão da floresta: bioplanadores com sensores embutidos. No entanto, o rótulo “bio” se aplica aos dispositivos voadores de duas maneiras: eles são inspirados na biologia, pois são modelados nas sementes voadoras do pepino de Java, mas também são biodegradáveis. Depois que um drone libera as sementes do sensor inteligente, eles relatam dados sobre, digamos, umidade e acidez do solo até que eventualmente se deteriorem e se tornem um com o solo da floresta.

O pesquisador do Empa Fabian Wiesemüller e a equipe de Mirko Kovac, do laboratório de Robótica da Sustentabilidade, querem usar os dados das sementes inteligentes para monitorar a condição do solo da floresta e seu equilíbrio biológico e químico. Um primeiro sensor agora é usado para medir o valor de pH com um teste clássico de tornassol.

Aqui, o corante derivado do líquen reage ao ácido com uma mudança de cor de roxo para vermelho. “A mudança de cor do sensor no chão da floresta é registrada por um drone sobrevoando a área”, explica Wiesemüller.

Um sensor em plena floração

Para garantir que o sensor esteja protegido até a sua utilização e só colete dados no momento crucial, ele é coberto por uma película protetora. Trata-se de um complicado “contra-capa” que libera o sensor assim que a chuva cai: durante os intervalos de trabalho, ele assume uma postura robusta de proteção. No entanto, assim que o sensor iniciar sua operação, o filme protetor reage com muita sensibilidade. Se houver chuva ou umidade no ar, ela se abre como uma flor.

Junto com a equipe de Gustav Nyström, do laboratório de Celulose e Materiais de Madeira do Empa, os pesquisadores desenvolveram esse mecanismo de proteção à base de celulose nanofibrilada de resíduos de madeira, que foi processada com gelatina para formar um filme fino de polímero que reage à umidade atmosférica. Depois que as nuvens de chuva se dissipam, a floração de polímero fecha após cerca de 30 minutos até o próximo ciclo de serviço.

Para garantir que a “flor” abra simetricamente, o filme de polímero também é revestido com uma camada muito fina de goma-laca, uma substância natural semelhante à resina excretada pelos piolhos das plantas. Evita que o material polimérico se expanda de forma desigual quando exposto à umidade.

Nas asas de uma … batata

O veículo de transporte do biossensor é um planador cujo material consiste em amido de batata convencional, comparável ao papel comestível. Isso significa que o planador pode simplesmente ser impresso e pressionado na forma da semente de pepino Java. Incluindo o sensor, o planador pesa apenas 1,5 grama e tem envergadura de 14 centímetros.

“O design de inspiração biológica visa permitir que o planador desça o maior tempo possível”, diz o pesquisador de robótica Wiesemüller, explicando a escolha da geometria do planador. Nas arenas de voo de drones da Empa em Dübendorf e no Imperial College London, Wiesemüller finalmente conseguiu otimizar o comportamento de voo e a estabilidade dos primeiros protótipos. Na arena de vôo, o planador consegue alcançar uma razão de planeio de 6. Isso corresponde a uma distância horizontal de 60 metros quando o planador decola de uma altura de 10 metros.

Quando o medidor ultraleve chega ao solo, inicia-se uma corrida contra o tempo. Enquanto o sensor mede o valor do pH toda vez que chove, a natureza começa a trabalhar nisso. Após sete dias em condições de laboratório, os organismos do solo já decompuseram as asas. Depois de mais três semanas, o sensor se desfaz. É assim que os componentes naturais do bioplanador encontram seu caminho de volta à natureza.

Segundo Wiesemüller, o sensor de ácido é apenas uma prova de conceito inicial que será seguida por outros tipos de sensores que podem determinar a condição de árvores, água e solo em tempo real.

Pó ao pó

Atualmente, os pesquisadores estão indo um passo além. Seu objetivo é registrar os efeitos das mudanças climáticas em diferentes habitats usando drones sensores completamente biodegradáveis. No espírito da “ecologia digital”, esses robôs permitirão previsões precisas do estado do meio ambiente e medidas preventivas apropriadas, e então se decomporão em seus materiais originais na natureza.

Até agora, nem todas as partes desses drones ambientais estão disponíveis em versões biodegradáveis ​​de alta qualidade. Os pesquisadores do Empa estão agora trabalhando em equipes interdisciplinares em drones voadores com uma estrutura ecológica baseada em materiais altamente porosos de celulose e gelatina. As descobertas do projeto do bioplanador também estão sendo incorporadas aqui.

robôs bioinspirados

Eles devem reparar edifícios e medir a poluição ambiental em regiões inacessíveis – para essas tarefas, os ajudantes artificiais devem ser inspirados pela natureza. Os objetos voadores de inspiração biológica ainda têm muito a aprender com seus modelos para serem capazes de agir de forma independente em um ambiente complexo.

Afinal, a natureza teve centenas de milhões de anos para aperfeiçoar as características dos seres vivos. Para o planador com sensor biodegradável, os pesquisadores do Empa tomaram como modelo o pepino de Java, Alsomitra macrocarpa. A liana asiática deixa o vento espalhar suas sementes que são equipadas com asas transparentes. Como o original, as sementes do sensor inteligente têm envergadura de 14 centímetros. Em vez da semente em seu núcleo, o bioplanador carrega um sensor para coletar dados ambientais.

A pesquisa foi publicada na revista Fronteiras em Robótica e IA.