Robôs inspirados em origami podem sentir, analisar e agir em ambientes desafiadores

Roboticistas têm usado uma técnica semelhante à antiga arte de dobrar papel para desenvolver máquinas autônomas a partir de folhas finas e flexíveis. Esses robôs leves são mais simples e baratos de fabricar e mais compactos para armazenamento e transporte mais fáceis.

No entanto, os chips de computador rígidos tradicionalmente necessários para habilitar recursos avançados de robôs – detecção, análise e resposta ao ambiente – adicionam peso extra aos materiais de folha fina e os tornam mais difíceis de dobrar. Os componentes baseados em semicondutores devem, portanto, ser adicionados após o robô ter tomado sua forma final.

Agora, uma equipe multidisciplinar liderada por pesquisadores da UCLA Samueli School of Engineering criou uma nova técnica de fabricação para robôs totalmente dobráveis ​​que podem realizar uma variedade de tarefas complexas sem depender de semicondutores. Um estudo detalhando os resultados da pesquisa foi publicado no Natureza Comunicações.

Ao incorporar materiais flexíveis e eletricamente condutores em uma folha de filme de poliéster fina pré-cortada, os pesquisadores criaram um sistema de unidades de processamento de informações, ou transistores, que podem ser integrados a sensores e atuadores. Eles então programaram a folha com funções analógicas simples de computador que emulam as dos semicondutores. Depois de cortada, dobrada e montada, a folha se transforma em um robô autônomo que pode sentir, analisar e agir em resposta aos seus ambientes com precisão. Os pesquisadores nomearam seus robôs “OrigaMechs”, abreviação de Origami MechanoBots.

“Este trabalho leva a uma nova classe de robôs de origami com capacidades expandidas e níveis de autonomia, mantendo os atributos favoráveis ​​associados à fabricação baseada em dobras de origami”, disse o principal autor do estudo, Wenzhong Yan, aluno de doutorado em engenharia mecânica da UCLA.

Os OrigaMechs derivaram suas capacidades de computação de uma combinação de interruptores multiplexados de origami mecânicos criados pelas dobras e comandos lógicos booleanos programados, como “AND”, “OR” e “NOT”. Os interruptores permitiram um mecanismo que emite sinais elétricos de forma seletiva com base na pressão variável e na entrada de calor no sistema.

Usando a nova abordagem, a equipe construiu três robôs para demonstrar o potencial do sistema:

• um robô ambulante semelhante a um inseto que inverte a direção quando uma de suas antenas detecta um obstáculo
• um robô parecido com uma armadilha de Vênus que envolve uma “presa” quando ambos os sensores de sua mandíbula detectam um objeto
• um robô reprogramável de duas rodas que pode se mover ao longo de caminhos pré-concebidos de diferentes padrões geométricos

Enquanto os robôs foram amarrados a uma fonte de energia para a demonstração, os pesquisadores disseram que o objetivo de longo prazo seria equipar os robôs autônomos de origami com um sistema de armazenamento de energia embutido alimentado por baterias de lítio de película fina.

O design sem chip pode levar a robôs capazes de trabalhar em ambientes extremos – campos magnéticos ou radiativos fortes e locais com sinais de radiofrequência intensos ou altas descargas eletrostáticas – onde a eletrônica tradicional baseada em semicondutores pode não funcionar.

“Esses tipos de cenários perigosos ou imprevisíveis, como durante um desastre natural ou causado pelo homem, podem ser onde os robôs de origami provaram ser especialmente úteis”, disse o investigador principal do estudo Ankur Mehta, professor assistente de engenharia elétrica e de computação e diretor do Laboratório da UCLA. para máquinas embarcadas e robôs ubíquos.

“Os robôs podem ser projetados para funções especiais e fabricados sob demanda muito rapidamente”, acrescentou Mehta. “Além disso, embora esteja muito longe, pode haver ambientes em outros planetas onde robôs exploradores que são imunes a esses cenários seriam muito desejáveis”.

Robôs pré-montados construídos por essa técnica flexível de cortar e dobrar podem ser transportados em embalagens planas para economia de espaço massiva. Isso é importante em cenários como missões espaciais, onde cada centímetro cúbico conta. Os robôs de baixo custo, leves e fáceis de fabricar também podem levar a ferramentas educacionais inovadoras ou a novos tipos de brinquedos e jogos.

Outros autores do estudo são o aluno de graduação da UCLA Mauricio Deguchi e o aluno de pós-graduação Zhaoliang Zheng, bem como os roboticistas Shuguang Li e Daniela Rus, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.