Um microrrobô que bate asas inspirado na dinâmica das asas dos besouros rinocerontes

A dinâmica das asas de espécies animais voadoras tem sido a inspiração para vários sistemas robóticos voadores. Enquanto pássaros e morcegos tipicamente batem suas asas usando a força produzida por seus músculos peitorais e das asas, os processos subjacentes aos movimentos das asas de muitos insetos permanecem mal compreendidos.

Pesquisadores da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suíça) e da Konkuk University (Coreia do Sul) recentemente se propuseram a explorar como insetos herbívoros conhecidos como besouros rinocerontes desdobram e retraem suas asas. O insight que eles reuniram, descrito em um artigo publicado em Naturezafoi então usado para desenvolver um novo microrrobô que pode abrir e retrair suas asas passivamente, sem a necessidade de atuadores extensos.

“Acredita-se teoricamente que insetos, incluindo besouros, usam músculos torácicos para ativamente desdobrar e retrair suas asas nas bases das asas, similarmente a pássaros e morcegos”, disse Hoang-Vu Phan, o autor principal do artigo, à Tech Xplore. “No entanto, métodos de registro ou monitoramento da atividade muscular ainda não conseguem determinar quais músculos os besouros usam para desdobrar e retrair suas asas, nem explicar como eles fazem isso.”

As asas posteriores (ou seja, asas traseiras) dos besouros se assemelham a estruturas dobráveis ​​de origami, pois podem ser cuidadosamente dobradas e guardadas sob o élitro (ou seja, uma asa anterior endurecida normalmente encontrada em besouros) enquanto estão descansando e então passivamente implantadas quando voam. Muitos estudos anteriores visavam replicar a dinâmica das asas de besouros em robôs, portanto, utilizaram estruturas semelhantes a origami, sem prestar muita atenção aos movimentos na base das asas posteriores.

“Esta pesquisa é uma continuação do meu trabalho anterior publicado em Ciência em 2020, onde descobrimos a função de absorção de choque das asas traseiras dos besouros rinocerontes durante colisões em voo”, explicou Phan. “Durante os experimentos, capturei acidentalmente uma implantação completa de duas fases da asa e me perguntei por que o besouro usa um procedimento tão complexo se impulsionado por músculos ativos.”

Em seus exames anteriores de besouros rinocerontes, Phan observou que esses insetos podem alavancar seus élitros e forças de batimento para passivamente implantar suas asas posteriores para o voo. Uma vez que seu voo termina e eles pousam em uma superfície, eles então usam os élitros para empurrar as asas posteriores de volta para seu corpo. Ambas essas ações são passivas por natureza, pois não envolvem o uso de músculos torácicos que sustentam o voo de pássaros e morcegos.

“Ao implementar esse mecanismo passivo em robôs de asas oscilantes, demonstramos pela primeira vez que, diferentemente dos robôs de asas oscilantes existentes, que mantêm suas asas fixas em uma configuração totalmente estendida, nosso robô pode dobrar as asas ao longo do corpo quando em repouso e abri-las passivamente para decolar e manter um voo estável”, disse Phan.

Os pesquisadores alavancaram o insight que adquiriram em seu estudo de besouros rinocerontes para construir um microrrobô que bate asas e pesa 18 gramas. Este microrrobô, que é aproximadamente duas vezes maior do que um besouro real, pode abrir e recolher passivamente suas asas.

“Para simplificar, usamos tendões elásticos instalados nas axilas que permitem que o robô feche suas asas passivamente”, disse Phan. “Ao ativar o movimento de bater, o robô pode abrir passivamente suas asas para decolar e manter um voo estável. Depois disso, ao parar de bater após o pouso, as asas podem ser retraídas rápida e passivamente de volta ao corpo sem a necessidade de quaisquer atuadores adicionais.”

O trabalho recente de Phan e seus colegas revelou que os mecanismos subjacentes a como os besouros desdobram e retraem suas asas traseiras são passivos e não dependem de movimentos musculares. Em seguida, introduziu uma estratégia viável para reproduzir esses mecanismos em microrrobôs, aumentando assim sua similaridade com insetos.

“Nosso robô com asas dobráveis ​​pode ser usado para missões de busca e resgate em espaços confinados”, disse Phan. “Por exemplo, ele pode entrar em um prédio desabado onde humanos não podem acessar. Com sua escala minúscula, o robô pode voar em espaços estreitos. Quando o voo não é possível, o robô pode pousar ou pousar em qualquer superfície e, então, alternar para outros modos de locomoção, como rastejar.”

Notavelmente, quando o microrrobô da equipe está rastejando, suas asas repousam ao longo do corpo, o que reduz o risco de que sejam danificadas, ao mesmo tempo em que melhora a mobilidade do robô em espaços estreitos. Uma vez que ele encontre um bom local para voar, o robô pode então simplesmente desdobrar suas asas novamente e voltar ao modo de voo.

“Nosso robô de asas também pode ajudar biólogos a estudar a biomecânica do voo de insetos e pode ser disfarçado como insetos espiões para explorar a vida de insetos reais em florestas, para as quais drones de asa rotativa convencionais não são aplicáveis”, disse Phan. “Além disso, o robô de asas pode ser usado para realizar pesquisas de engenharia ou como um brinquedo de engenharia para crianças, já que sua baixa frequência de asas é muito segura e amigável aos humanos.”

Até agora, Phan e seus colegas avaliaram o desempenho de seu microrrobô em uma série de testes preliminares, que produziram resultados promissores. No futuro, seu design pode ser melhorado e testado em vários cenários do mundo real, para validar ainda mais seu potencial.

“Em estudos futuros, seria interessante explorar se outros insetos, como moscas minúsculas, usam estratégias passivas semelhantes no contexto de disponibilidade muscular limitada”, acrescentou Phan. “Também pretendemos melhorar o voo ágil do nosso robô e implementar capacidades de locomoção terrestre, como empoleirar-se e rastejar, semelhantes às suas contrapartes biológicas.”

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