Este inseto robótico rápido e ágil poderá algum dia ajudar na polinização mecânica

Com um novo design, o bot do tamanho de um bug foi capaz de voar 100 vezes mais que as versões anteriores.

Com um método mais eficiente de polinização artificial, os agricultores no futuro poderão cultivar frutas e vegetais em armazéns multiníveis, aumentando os rendimentos e ao mesmo tempo mitigando alguns dos impactos nocivos da agricultura no ambiente.

Para ajudar a tornar esta ideia uma realidade, os investigadores do MIT estão a desenvolver insectos robóticos que poderão algum dia sair das colmeias mecânicas para realizar rapidamente uma polinização precisa. No entanto, mesmo os melhores robôs do tamanho de insetos não são páreo para polinizadores naturais como as abelhas quando se trata de resistência, velocidade e manobrabilidade.

Agora, inspirados pela anatomia destes polinizadores naturais, os investigadores reformularam o seu design para produzir pequenos robôs aéreos que são muito mais ágeis e duráveis ​​do que as versões anteriores.

Os novos bots podem pairar por cerca de 1.000 segundos, o que é 100 vezes mais longo do que o demonstrado anteriormente. O inseto robótico, que pesa menos que um clipe de papel, pode voar significativamente mais rápido do que bots semelhantes enquanto realiza manobras acrobáticas, como saltos aéreos duplos.

O robô renovado foi projetado para aumentar a precisão e a agilidade do voo, ao mesmo tempo que minimiza o estresse mecânico nas flexões artificiais das asas, o que permite manobras mais rápidas, maior resistência e uma vida útil mais longa.

O novo design também tem espaço livre suficiente para que o robô possa carregar pequenas baterias ou sensores, o que lhe permitirá voar sozinho fora do laboratório.

“A quantidade de voo que demonstramos neste artigo é provavelmente maior do que toda a quantidade de voo que nosso campo foi capaz de acumular com esses insetos robóticos. Com a vida útil e a precisão aprimoradas deste robô, estamos nos aproximando de algumas aplicações muito interessantes. , como a polinização assistida”, diz Kevin Chen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), chefe do Laboratório de Soft e Micro Robótica do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE), e autor sênior de um artigo de acesso aberto sobre o novo design.

Chen é acompanhado no artigo pelos co-autores principais Suhan Kim e Yi-Hsuan Hsiao, que são estudantes de pós-graduação do EECS; bem como o estudante de pós-graduação do EECS, Zhijian Ren, e o estudante visitante de verão, Jiashu Huang. A pesquisa aparece hoje em Robótica Científica .

Aumentando o desempenho

As versões anteriores do inseto robótico eram compostas por quatro unidades idênticas, cada uma com duas asas, combinadas em um dispositivo retangular do tamanho de um microcassete.

“Mas não existe nenhum inseto que tenha oito asas. Em nosso projeto antigo, o desempenho de cada unidade individual sempre foi melhor do que o do robô montado”, diz Chen.

Essa queda de desempenho foi parcialmente causada pela disposição das asas, que sopravam ar umas nas outras ao bater, reduzindo as forças de sustentação que poderiam gerar.

O novo design corta o robô ao meio. Cada uma das quatro unidades idênticas agora tem uma asa oscilante apontando para longe do centro do robô, estabilizando as asas e aumentando suas forças de sustentação. Com metade das asas, esse design também libera espaço para que o robô possa transportar eletrônicos.

Além disso, os pesquisadores criaram transmissões mais complexas que conectam as asas aos atuadores, ou músculos artificiais, que as agitam. Essas transmissões duráveis, que exigiam o projeto de dobradiças de asa mais longas, reduzem o esforço mecânico que limitava a resistência das versões anteriores.

“Em comparação com o robô antigo, agora podemos gerar um torque de controle três vezes maior do que antes, e é por isso que podemos fazer voos de localização de trajetória muito sofisticados e precisos”, diz Chen.

No entanto, mesmo com estas inovações de design, ainda existe uma lacuna entre os melhores insetos robóticos e os reais. Por exemplo, uma abelha tem apenas duas asas, mas pode realizar movimentos rápidos e altamente controlados.

“As asas das abelhas são controladas com precisão por um conjunto de músculos muito sofisticado. Esse nível de ajuste fino é algo que realmente nos intriga, mas ainda não conseguimos replicar”, diz ele.

Menos tensão, mais força

O movimento das asas do robô é impulsionado por músculos artificiais. Esses atuadores minúsculos e macios são feitos de camadas de elastômero imprensadas entre dois eletrodos muito finos de nanotubos de carbono e depois enrolados em um cilindro macio. Os atuadores comprimem-se e alongam-se rapidamente, gerando força mecânica que bate as asas.

Em projetos anteriores, quando os movimentos do atuador atingiam as frequências extremamente altas necessárias para o voo, os dispositivos muitas vezes começavam a entortar. Isso reduz a potência e a eficiência do robô. As novas transmissões inibem esse movimento de flexão, o que reduz a tensão nos músculos artificiais e permite que apliquem mais força para bater as asas.

Outro novo design envolve uma longa dobradiça de asa que reduz o estresse de torção experimentado durante o movimento da asa. Fabricar a dobradiça, que tem cerca de 2 centímetros de comprimento, mas apenas 200 mícrons de diâmetro, estava entre os maiores desafios.

“Se você tiver um pequeno problema de alinhamento durante o processo de fabricação, a dobradiça da asa ficará inclinada em vez de retangular, o que afeta a cinemática da asa”, diz Chen.

Depois de muitas tentativas, os pesquisadores aperfeiçoaram um processo de corte a laser em várias etapas que lhes permitiu fabricar com precisão cada dobradiça da asa.

Com todas as quatro unidades instaladas, o novo inseto robótico pode pairar por mais de 1.000 segundos, o que equivale a quase 17 minutos, sem apresentar qualquer degradação na precisão do voo.

“Quando meu aluno Nemo estava realizando aquele vôo, ele disse que foram os 1.000 segundos mais lentos que ele passou em toda a sua vida. O experimento foi extremamente desesperador”, diz Chen.

O novo robô também atingiu uma velocidade média de 35 centímetros por segundo, relataram os pesquisadores de vôo mais rápido, enquanto realizava giros corporais e giros duplos. Ele pode até rastrear com precisão uma trajetória que indica MIT.

“No final das contas, mostramos um voo 100 vezes mais longo do que qualquer outra pessoa na área foi capaz de fazer, então este é um resultado extremamente emocionante”, diz ele.

A partir daqui, Chen e seus alunos querem ver até onde podem levar esse novo design, com o objetivo de conseguir voar por mais de 10.000 segundos.

Eles também querem melhorar a precisão dos robôs para que possam pousar e decolar do centro de uma flor. A longo prazo, os investigadores esperam instalar pequenas baterias e sensores nos robôs aéreos para que possam voar e navegar fora do laboratório.

“Esta nova plataforma robótica é um resultado importante do nosso grupo e leva a muitas direções interessantes. Por exemplo, a incorporação de sensores, baterias e capacidades de computação neste robô será um foco central nos próximos três a cinco anos”, diz Chen.