Pesquisadores projetam um atuador assistido por mola que pode aprimorar robôs de próxima geração

Quer se trate de uma prótese motorizada para ajudar uma pessoa que perdeu um membro ou de um robô independente navegando pelo mundo exterior, estamos pedindo às máquinas que executem tarefas cada vez mais complexas e dinâmicas. Mas o motor elétrico padrão foi projetado para atividades constantes e contínuas, como operar um compressor ou girar uma correia transportadora – mesmo projetos atualizados desperdiçam muita energia ao fazer movimentos mais complicados.

Pesquisadores da Universidade de Stanford inventaram uma maneira de aumentar os motores elétricos para torná-los muito mais eficientes na execução de movimentos dinâmicos por meio de um novo tipo de atuador, um dispositivo que usa energia para fazer as coisas se moverem. Seu atuador, publicado em Robótica Científicautiliza molas e embreagens para realizar uma variedade de tarefas com uma fração do consumo de energia de um motor elétrico típico.

“Em vez de desperdiçar muita eletricidade para ficar parado, zumbindo e gerando calor, nosso atuador usa essas embreagens para atingir os níveis muito altos de eficiência que vemos nos motores elétricos em processos contínuos, sem abrir mão da controlabilidade e de outros recursos que fazem motores elétricos atraentes”, disse Steve Collins, professor associado de engenharia mecânica e autor sênior do artigo.

Entrando em ação

O atuador funciona aproveitando a capacidade das molas de produzir força sem usar energia – as molas resistem a serem esticadas e tentam retornar ao seu comprimento natural quando liberadas. Quando o atuador está, digamos, abaixando algo pesado, os pesquisadores podem acionar as molas para que elas se estiquem, aliviando parte da carga do motor. Então, ao travar as molas na posição esticada, essa energia pode ser armazenada para auxiliar o motor em outra tarefa posterior.

A chave para engatar e desengatar as molas de forma rápida e eficiente é uma série de embreagens eletroadesivas. Cada mola de borracha é imprensada entre duas embreagens: uma que conecta a mola à junta para auxiliar o motor e outra que trava a mola em uma posição esticada quando não está sendo usada.

Essas embreagens consistem em dois eletrodos – um preso à mola e outro preso à estrutura ou motor – que deslizam suavemente um pelo outro quando não estão ativos. Para engatar uma embreagem, os pesquisadores aplicam uma grande voltagem a um de seus eletrodos. Os eletrodos são unidos com um clique audível – como uma versão mais rápida e mais forte da eletricidade estática que faz um balão grudar na parede depois de esfregá-lo no carpete. Liberar a mola é tão simples quanto aterrar o eletrodo e reduzir sua tensão de volta a zero.

“Eles são leves, são pequenos, são realmente eficientes em termos de energia e podem ser ligados e desligados rapidamente”, disse Erez Krimsky, autor principal do artigo, que concluiu recentemente seu doutorado. no laboratório de Collins. “E se você tiver muitas molas presas, isso abre todas essas possibilidades interessantes de como você pode configurá-las e controlá-las para obter resultados interessantes.”

O atuador construído por Collins e Krimsky possui um motor aumentado com seis molas de embreagem idênticas, que podem ser acionadas em qualquer combinação. Os pesquisadores executaram o projeto por meio de uma série de testes de movimento desafiadores que incluíram aceleração rápida, mudanças de carga e movimento suave e constante. Em todas as tarefas, o motor aumentado utilizou pelo menos 50% menos energia do que um motor elétrico padrão e, na melhor das hipóteses, reduziu o consumo de energia em 97%.

Motores que podem fazer mais

Com motores significativamente mais eficientes, os robôs poderiam viajar mais longe e realizar mais. Um robô que pode funcionar durante um dia inteiro, em vez de apenas uma ou duas horas antes de precisar recarregar, tem potencial para realizar tarefas muito mais significativas. E há muitas situações inseguras – envolvendo materiais tóxicos, ambientes perigosos ou outros perigos – para as quais preferiríamos enviar um robô a arriscar uma pessoa.

“Isso também tem implicações para dispositivos de assistência, como próteses ou exoesqueletos”, disse Krimsky. “Se você não precisar recarregá-los constantemente, eles poderão ter um impacto mais significativo para as pessoas que os utilizam.”

Atualmente, leva alguns minutos para o controlador do atuador calcular a maneira mais eficiente de usar a combinação de molas para realizar uma tarefa totalmente nova, mas os pesquisadores têm planos de reduzir consideravelmente esse prazo. Eles imaginam um sistema que possa aprender com tarefas anteriores, criando um banco de dados crescente de movimentos cada vez mais eficientes e usando inteligência artificial para intuir como realizar algo novo de forma eficaz.

“Há um monte de pequenos ajustes de controle e design que gostaríamos de fazer, mas achamos que a tecnologia está realmente pronta para tradução comercial”, disse Collins. “Ficaríamos entusiasmados em tentar retirar isso do laboratório e abrir uma empresa para começar a fabricar esses atuadores para os robôs do futuro.”