Estes Millirobots impressos em 3D podem sentir e reagir ao seu entorno

O milirobot parecia um adorável veículo de desenho animado enquanto navegava habilmente por um labirinto complexo. É uma criatura estranha: o fundo lembra uma cerca desmoronada; no topo, uma cesta tipo coador. Do tamanho de um centavo, parece frágil e totalmente despretensioso.

Mas, em sua essência, está uma possível mudança de paradigma para a construção de robôs autônomos que podem sentir e responder ao seu ambiente local. Ao contrário dos robôs clássicos, que são montados com vários componentes, o millirobot é 3D impresso com um metamaterial de aparência leitosa que pode alterar de forma flexível suas propriedades com alguns zaps elétricos.

Os metamateriais soam como algo saído de uma história em quadrinhos, mas o conceito é simples. Ao contrário de madeira, vidro ou outros materiais estáticos em que confiamos prontamente para manter sua estrutura, os metamateriais usados ​​no estudo – materiais piezoelétricos – mudam facilmente sua estrutura quando explodidos com um campo eletromagnético. Isso permite que o material torça, contorça, encolha ou expanda. Mapeie cada movimento e é possível construir e dirigir um robô.

Para construir o bot, a equipe projetado uma configuração de impressão 3D para imprimir estruturas robóticas usando materiais piezoelétricos. Como um complemento adicional, a equipe deu aos bots um brilho de ultrassom, incorporando componentes ao material, o que ajudou os bots a transformar vibrações em eletricidade para sentir seu ambiente.

Os millibots aprenderam a andar, pular e escapar de possíveis obstáculos em tempo real de forma autônoma. Eles podem até fazer uma caminhada na mini-praia no laboratório, navegando facilmente por um terreno acidentado e arenoso parcialmente coberto de vegetação.

Os bots, embora ainda rudimentares, poderiam um dia ajudar a entregar drogas em espaços confinados em nossos corpos se diminuídos. Eles também podem atuar como batedores baratos, minúsculos, mas poderosos para explorar ambientes novos ou perigosos.

Ao Dr. Ahmad Rafsanjani do Centro de Robótica Suave, Universidade do Sul da Dinamarca, que não estava envolvido no estudo, os millibots trazem os metamateriais para o centro das atenções como uma nova maneira de construir robôs autônomos. O estudo “destaca uma visão mais ampla de 'materiais robóticos' em que a fronteira entre materiais e máquinas se torna indiscernível”, escreveu ele em um comentário relacionado. “A fabricação aditiva de metamateriais piezoelétricos pode levar à materialização de robôs totalmente integrados que podem sair direto de uma impressora 3D.”

Meta-O quê?

Metamateriais são estranhos. Mas, graças às suas propriedades exóticas, os cientistas exploraram prontamente os usos potenciais desses patos estranhos. Um clássico é a óptica. Metamateriais são muitas vezes feitos de componentes que interagem de forma flexível com ondas eletromagnéticas, incluindo a luz. De certa forma, eles são semelhantes a lentes de câmeras ou espelhos, mas com o superpoder de mudar rapidamente a forma como direcionam cada onda de luz. Em teoria, uma estrutura cuidadosamente criada a partir de metamateriais poderia reformar todos os tipos de óculos – desde lentes de microscópio até aquelas em nossos rostos.

Mais recentemente, os cientistas começaram a explorar outros usos. Um grande esforço é incorporar materiais piezoelétricos em chips neuromórficos, que simulam aproximadamente como o cérebro calcula e armazena informações. Ao alterar as propriedades desses materiais com campos elétricos, os cientistas podem aproximar como as sinapses funcionam com energia ultrabaixa. Outros estudos aproveitou a capacidade acrobática dos metamateriais de transformar sua forma, criando estruturas que convertem o movimento linear – digamos, uma caminhada de caranguejo – em rotações e engrenagens mecânicas. É como se suas pernas de repente se transformassem em rodas giratórias.

Sim, metamateriais são estranhos. Como eles funcionam?

Ajuda a imaginá-los como TVs em caixa da velha escola com antenas. Para ajustar o canal - isto é, o comportamento do material - você move as antenas até que sua estrutura interaja fortemente com as ondas de rádio e voilá, você acertou o estado do material. Ele pode então ser misturado com materiais convencionais para construir estruturas intrincadas, semelhantes a treliças, preservando suas propriedades de metamorfose. Essa flexibilidade os torna uma tela especialmente intrigante para projetar robôs. Por serem uma estrutura quase única, a longo prazo, eles podem ajudar a construir próteses menos propensos a falhas, pois não possuem partes móveis mecânicas. Em vez de soldar, eles agora podem ser impressos em 3D. (Isso me dá todas as Westworld vibes - mecânica Dolores versus versão impressa líquido-leitosa, alguém?).

Stranger Things

Os novos millibots parecem um híbrido entre Wall-E e TARS, um robô estriado, dobrável e estilo pauzinhos em Interestelar. Totalmente impressos em 3D, eles quebraram o dogma convencional da construção de robôs. Normalmente, um robô precisa de vários componentes independentes: sensores para navegar no ambiente, microprocessadores para o “cérebro”, atuadores para movimento e uma fonte de alimentação para acionar todo o sistema. Cada link é propenso a falhas.

Aqui, a equipe integrou cada componente em um design. O primeiro ingrediente chave são os materiais piezoelétricos, que convertem campos elétricos em tensão mecânica e vice-versa. São os “músculos” que guiam o movimento do robô. Mas eles fazem o triplo dever. Dependendo do estado do metamaterial, ele pode formar uma espinha dorsal tipo cerâmica para ajudar o millibot a manter sua forma. Em sua fase condutora, atua como células nervosas, capturando sinais eletromagnéticos para controlar os “músculos”. Aumentando ainda mais as proezas do bot, há um elemento ultrassônico, fundido ao bot, que o ajuda a sentir seus arredores.

Ao todo, o simples millibot essencialmente tem vários sistemas misturados em uma gosma branca: um sistema nervoso capaz de detectar e atuar, um componente “músculo” e uma estrutura esquelética. Colocando a gosma em uma impressora 3D, a equipe construiu treliças sofisticadas como a espinha dorsal do robô, cada uma cuidadosamente decorada com metais condutores e propriedades piezoelétricas em regiões específicas.

O resultado? Um pequeno robô que acessa campos elétricos para sentir e navegar em seu ambiente. Ainda mais impressionante é sua capacidade de “entender” seus próprios movimentos corporais e colocá-los no espaço – um truque chamado propriocepção isso foi dublado o “sexto sentido” da percepção humana e raramente implementado em robôs.

Com alguns desafios, os autores mostraram em seguida as proezas dos bots. Um robô navegou habilmente em torno de bloqueios em tempo real enquanto um humano derrubava barreiras sequencialmente com base no feedback de ultrassom. Em outro teste, o robô saltou longas distâncias e fez curvas fechadas habilmente. Com apenas milissegundos de atraso, o sapo robô pulou várias superfícies ásperas sem suar – uma tarefa motora que anteriormente confundia outros bots.

Os millibots também faziam grandes mulas de carga. Mesmo com um peso de 500% na carga útil – como uma fonte de alimentação a bordo, um driver e um microcontrolador – eles conseguiram se mover facilmente com apenas 20% de declínio na velocidade. Na prática, o superpoder torna esses bots grandes andaimes como máquinas de entrega de drogas que podem um dia vagar pela nossa corrente sanguínea.

Um jeito de ir

Uma única peça de material piezoelétrico pode ser extremamente flexível, com seis graus de liberdade - a capacidade de se estender linearmente em três eixos (como dobrar o braço para frente, para os lados e para trás) e torcer rotativamente. Graças à manufatura aditiva do estudo, é fácil projetar diferentes arquiteturas robóticas guiadas por algoritmos criativos.

A equipe “entrelaçou habilmente atuação e percepção em uma miniatura leve

estrutura 3D composta que se move e detecta seus arredores”, disse Rafsanjani.

Os robôs podem parecer um enigma incongruente: uma criatura flexível feita de uma espinha dorsal de cerâmica dura com um metamaterial. Mas nós também somos humanos — somos feitos de células com formas, tamanhos e capacidades muito diferentes. A adaptação de ideias usadas para projetar robôs piezoelétricos dá à robótica suave uma nova perspectiva, potencialmente levando a materiais completamente artificiais que combinam com nossos corpos.

O estudo “aproxima os metamateriais robóticos dos sistemas biológicos, uma função de cada vez”, disse Rafsanjani.

Crédito da imagem: Rayne Research Group

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• Fonte: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/