Robôs resilientes do tamanho de insetos continuam voando mesmo após danos nas asas

Os zangões são voadores desajeitados. Estima-se que uma abelha forrageira esbarre em uma flor cerca de uma vez por segundo, o que danifica suas asas ao longo do tempo. No entanto, apesar de terem muitos pequenos rasgos ou buracos em suas asas, os zangões ainda podem voar.

Os robôs aéreos, por outro lado, não são tão resistentes. Faça furos nos motores das asas do robô ou corte parte de sua hélice, e as chances são muito boas de que ele será aterrado.

Inspirados pela resistência das abelhas, os pesquisadores do MIT desenvolveram técnicas de reparo que permitem que um robô aéreo do tamanho de um inseto sofra danos graves aos atuadores, ou músculos artificiais, que alimentam suas asas – mas ainda voam com eficiência.

Eles otimizaram esses músculos artificiais para que o robô pudesse isolar melhor os defeitos e superar pequenos danos, como pequenos orifícios no atuador. Além disso, eles demonstraram um novo método de reparo a laser que pode ajudar o robô a se recuperar de danos graves, como um incêndio que queimou o dispositivo.

Usando suas técnicas, um robô danificado poderia manter o desempenho em nível de vôo depois que um de seus músculos artificiais fosse espetado por 10 agulhas, e o atuador ainda fosse capaz de operar depois que um grande buraco fosse queimado nele. Seus métodos de reparo permitiram que um robô continuasse voando mesmo depois que os pesquisadores cortaram 20% de sua ponta de asa.

Isso pode tornar enxames de pequenos robôs mais capazes de realizar tarefas em ambientes difíceis, como conduzir uma missão de busca em um prédio em colapso ou em uma floresta densa.

“Passamos muito tempo entendendo a dinâmica de músculos macios e artificiais e, por meio de um novo método de fabricação e um novo entendimento, podemos mostrar um nível de resiliência a danos comparável aos insetos. Estamos muito entusiasmados com isso . Mas os insetos ainda são superiores a nós, no sentido de que podem perder até 40% de suas asas e ainda voar. Ainda temos algum trabalho de recuperação a fazer”, diz Kevin Chen, o D. Reid Weedon, Professor assistente Jr. do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), chefe do Laboratório de Robótica Macia e Micro no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e autor sênior do artigo publicado na Ciência Robótica sobre esses últimos avanços.

Técnicas de reparo de robôs

Os minúsculos robôs retangulares que estão sendo desenvolvidos no laboratório de Chen têm aproximadamente o mesmo tamanho e formato de uma fita microcassete, embora um robô pese pouco mais que um clipe de papel. As asas em cada canto são alimentadas por atuadores de elastômero dielétrico (DEAs), que são músculos artificiais macios que usam forças mecânicas para bater rapidamente as asas. Esses músculos artificiais são feitos de camadas de elastômero que são colocadas entre dois eletrodos finos e depois enroladas em um tubo mole. Quando a tensão é aplicada ao DEA, os eletrodos comprimem o elastômero, que bate na asa.

Mas imperfeições microscópicas podem causar faíscas que queimam o elastômero e causam a falha do dispositivo. Cerca de 15 anos atrás, os pesquisadores descobriram que poderiam evitar falhas de DEA de um pequeno defeito usando um fenômeno físico conhecido como autolimpeza. Nesse processo, a aplicação de alta voltagem ao DEA desconecta o eletrodo local em torno de um pequeno defeito, isolando essa falha do restante do eletrodo para que o músculo artificial ainda funcione.

Chen e seus colaboradores empregaram esse processo de autolimpeza em suas técnicas de reparo de robôs.

Primeiro, eles otimizaram a concentração de nanotubos de carbono que compõem os eletrodos no DEA. Os nanotubos de carbono são rolos de carbono superfortes, mas extremamente pequenos. Ter menos nanotubos de carbono no eletrodo melhora a autolimpeza, pois atinge temperaturas mais altas e queima com mais facilidade. Mas isso também reduz a densidade de potência do atuador.

“A certa altura, você não conseguirá obter energia suficiente do sistema, mas precisamos de muita energia e potência para pilotar o robô. Tínhamos que encontrar o ponto ideal entre essas duas restrições – otimizar o autocontrole limpando a propriedade sob a restrição de que ainda queremos que o robô voe”, diz Chen.

No entanto, mesmo um DEA otimizado falhará se sofrer danos graves, como um grande orifício que permite a entrada de muito ar no dispositivo.

Chen e sua equipe usaram um laser para superar os principais defeitos. Eles cortam cuidadosamente ao longo dos contornos externos de um grande defeito com um laser, o que causa danos menores ao redor do perímetro. Então, eles podem usar a autolimpeza para queimar o eletrodo levemente danificado, isolando o defeito maior.

“De certa forma, estamos tentando fazer uma cirurgia nos músculos. Mas se não usarmos força suficiente, não poderemos causar dano suficiente para isolar o defeito. Por outro lado, se usarmos muita força, o laser causará danos graves ao atuador que não poderão ser removidos”, diz Chen.

A equipe logo percebeu que, ao “operar” em dispositivos tão minúsculos, é muito difícil observar o eletrodo para ver se eles isolaram com sucesso um defeito. Com base em trabalhos anteriores, eles incorporaram partículas eletroluminescentes no atuador. Agora, se eles virem luz brilhando, eles saberão que parte do atuador está operacional, mas manchas escuras significam que isolaram essas áreas com sucesso.

Sucesso no teste de voo

Depois de aperfeiçoarem suas técnicas, os pesquisadores conduziram testes com atuadores danificados – alguns haviam sido espetados por muitas agulhas, enquanto outros tinham buracos queimados. Eles mediram o desempenho do robô em experimentos de bater as asas, decolar e pairar.

Mesmo com DEAs danificados, as técnicas de reparo permitiram que o robô mantivesse seu desempenho de voo, com erros de altitude, posição e atitude que se desviavam muito ligeiramente daqueles de um robô não danificado. Com a cirurgia a laser, um DEA que teria sido quebrado além do reparo foi capaz de recuperar 87% de seu desempenho.

“Tenho que reconhecer meus dois alunos, que fizeram muito trabalho duro quando estavam pilotando o robô. Pilotar o robô sozinho é muito difícil, sem mencionar agora que estamos danificando-o intencionalmente”, diz Chen.

Essas técnicas de reparo tornam os minúsculos robôs muito mais robustos, então Chen e sua equipe agora estão trabalhando para ensinar-lhes novas funções, como pousar em flores ou voar em um enxame. Eles também estão desenvolvendo novos algoritmos de controle para que os robôs possam voar melhor, ensinando-os a controlar seu ângulo de guinada para que possam manter um rumo constante e permitindo que os robôs carreguem um pequeno circuito, com o objetivo de longo prazo de carregar seu próprio fonte de energia.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.