Usando padrões de Turing para aprimorar a tecnologia pneumática suave

De acordo com um estudo recente em Relatórios CientíficosOs padrões de Turing podem ser usados ​​para desenvolver um novo método para projetar e produzir atuadores pneumáticos macios baseados em tecido (FSPAs).

Os atuadores pneumáticos macios baseados em tecido (FSPAs) são dispositivos flexíveis e macios que podem deformar-se ou mover-se quando é exercida pressão sobre eles. Eles funcionam inflando ou desinflando, o que faz com que o tecido dobre, estique ou torça.

A robótica suave muitas vezes depende de FSPAs devido à sua flexibilidade e adaptabilidade cruciais. Ao contrário das peças robóticas rígidas tradicionais, os FSPAs podem interagir de forma segura com seres humanos e objetos delicados.

Graças à sua natureza macia e leve, os FSPAs são altamente adequados para aplicações como dispositivos vestíveis, abrigos adaptativos, garras robóticas e dispositivos de assistência. Seu valor reside no baixo custo, segurança e flexibilidade.

No entanto, projetar e fabricar FSPAs é um desafio. O desafio foi enfrentado pela equipe de pesquisa por meio da automatização do processo.

A equipe era composta pelo Dr. Masato Tanaka e Dr. Tsuyoshi Nomura da Toyota Central R&D Labs., Inc. no Japão e pelo Dr. Yuyang Song da Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc.

Phys.org conversou com os pesquisadores que compartilharam sua motivação para prosseguir esta pesquisa.

“A motivação por trás desta pesquisa decorre da necessidade reconhecida na comunidade de robótica leve de atuadores pneumáticos que possam realizar movimentos controlados usando mecanismos simples, sem depender de materiais ou tecnologias especializadas”, disse o Dr.

Padrões de Turing

“Nosso objetivo era desenvolver FSPAs simples e de baixo custo que alcançassem capacidades de transformação de forma. Nós nos concentramos especificamente em incorporar a teoria da morfogênese de Alan Turing, conhecida como padrões de Turing, no processo de design dessas texturas de superfície”, disse o Dr.

Alan Turing apresentou sua teoria da morfogênese em 1952, descrevendo como os padrões da natureza (listras, espirais, etc.) podem surgir de um estado uniformemente distribuído.

“Inspirados no trabalho de Alan Turing, onde o padrão de Turing pode ser derivado de equações isotrópicas de reação-difusão, empregamos um método de otimização de orientação baseado em gradiente para projetar a membrana superficial de FSPAs”, disse o Dr.

Os padrões de Turing resultam de sistemas que possuem componentes de reação e difusão. A ideia principal é que temos duas substâncias interagindo, uma das quais promove a promoção de ambas e a segunda suprime ou inibe a primeira.

O resultado desse ciclo de feedback é a formação de padrões estáveis ​​e repetitivos, ou padrões de Turing, como as listras vistas em zebras e tigres.

Tentativa e erro

O maior desafio no projeto de FSPAs é a necessidade de tentativa e erro para encontrar o material certo.

“As estruturas pneumáticas tradicionais normalmente usam materiais isotrópicos com características geométricas específicas, como linhas de costura, para conseguir a transformação da forma”, explicou o Dr.

Materiais isotrópicos macios, conhecidos por suas propriedades uniformes, são comumente usados ​​em FSPAs tradicionais. Isto garante que o material infla ou dobra uniformemente quando a pressão é aplicada.

No entanto, projetar e fabricar um material que se deforme de forma controlada e previsível requer tentativa e erro e pode consumir muito tempo. O objetivo da equipe de pesquisa era contornar essas limitações por meio da automação e otimização de processos, resultando em movimentos mais avançados e controlados em aplicações de robótica suave.

“Empregamos um método de otimização de orientação baseado em gradiente para projetar a membrana superficial dessas estruturas. Este método pressupõe o uso de materiais anisotrópicos nas membranas, onde a orientação pode variar livremente, tornando a fabricação de tais estruturas um desafio significativo, “disse o Dr. . Canção.

“Nossa pesquisa aborda esse desafio utilizando padrões de Turing para preencher a lacuna entre o design de otimização baseado na orientação do material e a impressão 3D”, acrescentou o Dr.

Automatizando o processo

Os FSPAs consistem no material, que é o tecido utilizado para construir o atuador e o atuador, que executa o movimento em resposta à pressão.

A primeira etapa do método foi otimizar a orientação do material – ou seja, como as fibras do tecido flexível são dispostas na superfície do atuador.

Para isso, utilizaram o método não linear dos elementos finitos. Após a otimização, o layout de orientação foi convertido em padrões específicos no material.

Esses padrões específicos foram gerados a partir de um modelo matemático de sistemas de reação-difusão anisotrópica utilizados pelos pesquisadores. Esse padrão preenche toda a superfície e garante que o material se deforme da maneira desejada.

“Ao resolver essas equações e incorporar informações sobre a distribuição da anisotropia otimizada do material, geramos texturas anisotrópicas do padrão Turing correspondentes à anisotropia do material original”, explicou o Dr.

Para fabricar o FSPA, os pesquisadores exploraram dois métodos: colagem por calor e bordado.

Na colagem por calor, um tecido rígido como o Dyneema é cortado a laser no padrão Turing necessário e depois aderido a um tecido mais macio como o filme TPU usando uma prensa térmica. Em contraste, a técnica do bordado incorpora o padrão Turing em tecido macio com linha rígida, resultando em regiões de rigidez diferente que permitem movimentos controlados.

“Esses métodos de fabricação demonstrados oferecem possibilidades de produção escalonáveis ​​e econômicas para esses atuadores avançados”, explicou o Dr.

Comparando com os clássicos

A equipe de pesquisa comparou seus projetos com projetos simples clássicos, com seus projetos de padrões Turing mostrando desempenho comparável e melhor.

Para projetos em forma de C, o padrão Turing provou ser mais eficaz que os projetos clássicos, diminuindo a distância entre as bordas do atuador em aproximadamente 10%.

Para movimentos de torção, os designs do padrão Turing tiveram desempenho semelhante aos designs clássicos. No entanto, a flexão em forma de S é tradicionalmente difícil de conseguir.

“Nosso método pode alcançar qualquer movimento com uma simples entrada pneumática, projetando o padrão textural impresso na membrana usando nossa abordagem de otimização”, disse o Dr.

Pesquisas futuras poderiam considerar a integração de designs de padrões de Turing com materiais de ponta, como memória de forma ou polímeros eletroativos, de acordo com a equipe de pesquisa, para desenvolver atuadores com dinâmica aprimorada.

Os investigadores também prevêem explorar a escala das técnicas de fabricação para acomodar a produção em massa e actuadores maiores, possivelmente utilizando abordagens como impressão 3D com materiais flexíveis ou tecelagem automatizada para aumentar a eficiência e a precisão.

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