A Impressão 3D Pode Tornar a Robótica Mais Segura por Meio da Biomimética

Um estudo publicado na Advanced Intelligent Systems este mês apresenta uma nova forma de atuador robótico que usa biomimética para criar movimentos semelhantes ao funcionamento dos seus músculos. Esses atuadores macios permitem que engenheiros criem dispositivos flexíveis capazes de realizar tarefas únicas, como dobrar ou mudar de forma. Veja o que você precisa saber.

Robótica Flexível

Robôs macios ou ‘não rígidos’ são um campo em crescimento com potencial ilimitado. Esses dispositivos podem deslocar‑se e dobrar‑se para caber em fendas estreitas, contornar cantos e em outras situações onde um dispositivo rígido falharia. Dessa forma, o mercado de robótica flexível está em ascensão, com analistas prevendo um CAGR de 55,4% até 2029.

Problemas com Atuadores Tradicionais

Um fator que continua limitando o crescimento do setor de robótica flexível é a seleção atual de atuadores. Cada atuador permite um novo vetor de movimento para a unidade. Contudo, esses dispositivos criam pontos rígidos em toda a estrutura robótica non‑compliant. Esses pontos rígidos impedem a verdadeira liberdade de movimento.

Além disso, um atuador adicional é necessário para cada faixa de movimento. Dessa forma, eles podem aumentar o peso e o custo desses dispositivos. Robôs mais pesados consomem mais energia, o que os torna menos úteis, eficientes e produtivos.

Usando Biomimética para Criar um Atuador Melhor

O estudo aprofunda uma nova forma de atuador macio que se assemelha mais aos músculos humanos, pois se estica e contrai simultaneamente. Essa combinação gera mais força e permite que seu corpo transfira essa força de forma mais eficiente. Até agora, os engenheiros robóticos focavam principalmente em atuadores que podiam expandir e contrair, com pouca preocupação quanto à rigidez durante o processo.

Fonte – Advanced Intelligent Systems

Pesquisadores

Pesquisadores da Northwestern e da McCormick School of Engineering se reuniram para explorar as possibilidades de um novo tipo de atuador biomimético. O estudo foi liderado por Taekyoung Kim. Ele contou com a ajuda de Pranav Karthik, Ryan Truby e do professor júnior de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Mecânica da McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Juntos, essa equipe inovadora criou um novo processo de fabricação e protótipos funcionais e conduziu pesquisas aprofundadas sobre seu novo atuador biomimético.

Um Novo Estilo de Atuador

O primeiro passo da equipe foi imprimir em 3D o corpo da sua unidade. Os pesquisadores precisavam encontrar uma estrutura que pudesse dobrar e torcer, mas ainda suportar pressão quando necessário. Especificamente, o design possui foles que se deformam automaticamente por flambagem torsional à medida que o torque aumenta. Essa manobra cria uma forma helicoidal que pode transferir a carga torsional de forma eficiente.

Material Melhor para o Trabalho

Eles perceberam cedo que os materiais de atuador típicos para impressão 3D não seriam flexíveis o suficiente para concluir a tarefa. Após muita deliberação, decidiram usar poliuretano termoplástico para o dispositivo. Esse material está presente em muitos itens que você usa diariamente. É aquele material emborrachado que a capa do seu celular e outros objetos utilizam para permanecer protegidos. Notavelmente, esse material é elástico e pode suportar torque torsional quando necessário.

Motor Único

Uma das maiores mudanças em relação aos atuadores tradicionais que os pesquisadores fizeram foi eliminar a necessidade de múltiplos motores. Seu dispositivo pode formar uma variedade de formas e direcionar‑se em múltiplas direções simplesmente girando o motor único, fazendo com que o dispositivo se estenda e contraia.

Movimentos Únicos

O design de motor único oferece a esses robôs flexibilidade máxima. Ele pode expandir e torcer para atender às necessidades do ambiente e aos objetivos. Além disso, o design de motor único reduz custos e pode simplificar o design de dispositivos futuros.

Robo Rastreador

O primeiro dispositivo que a equipe criou foi um rastreador robótico de 26 centímetros de comprimento. Esta unidade pode estender‑se e dobrar‑se dependendo do torque aplicado pelo servo. O robô é capaz de mover‑se como uma minhoca, criando um movimento de tração que lhe permite navegar por ambientes complexos a 32 centímetros por minuto.

A equipe testou seu rastreador em um vídeo público. A unidade pode ser vista avançando por um tubo complexo que exige que o robô faça curvas apertadas para alcançar a saída. O dispositivo conseguiu percorrer facilmente as curvas estreitas e sinuosas com sucesso.

Os resultados do teste do rastreador foram positivos. O robô é capaz de um alongamento de 45 %, permitindo que se torne longo e fino quando necessário. Além disso, a equipe observou que a unidade tem uma força máxima de empurrão bloqueado de aproximadamente 8 N.

Bíceps Artificial

O próximo protótipo que a equipe demonstrou foi um bíceps robótico. Este dispositivo integrou uma célula de carga de 6 eixos, um guia linear e um servo único para gerar torque e movimento semelhantes a um bíceps humano.

O dispositivo é feito do mesmo material de borracha que o eixo macio. Esse design fornece respostas não lineares e viscoelásticas. Essas ações resultam em uma resposta de força‑deslocamento com histerese, permitindo que o dispositivo enrole objetos como um braço humano.

Os engenheiros testaram seu bíceps robótico para avaliar suas capacidades. A unidade levantou com sucesso um peso de 500 g por 5 000 vezes sem falhas. Esses resultados demonstram a repetibilidade e eficácia da nova abordagem aos movimentos robóticos.

Teste

A fase de testes forneceu feedback valioso aos pesquisadores, que buscarão melhorar seus futuros designs usando esses dados. Os engenheiros estavam empenhados em capturar informações essenciais, incluindo torque do atuador, pressão de empurrão e tração, resistência à tração e outros testes de esforço críticos que podem ajudar a determinar as capacidades máximas da nova configuração.

Benefícios

O estudo dos pesquisadores pode ter efeitos significativos no mercado. O campo da robótica flexível continua a se expandir e, à medida que mais desses dispositivos entram em produção, seus benefícios se tornam mais evidentes. Aqui estão apenas algumas das maneiras como essa pesquisa pode impulsionar o mercado de robótica flexível.

Tornar os Robôs Mais Seguros

Um dos principais motivos para a criação de robôs macios é que eles são muito mais seguros para se trabalhar ao redor. Quanto mais os fabricantes buscam integrar a robótica em sua força de trabalho, mais comum será que humanos e robôs trabalhem lado a lado. Os robôs macios são companheiros de trabalho muito melhores na maioria dos cenários por várias razões.

Primeiro, eles têm menos probabilidade de causar danos se você colidir com eles. Bater em um tubo de metal já é doloroso o suficiente. A dor pode ser agravada se o dispositivo metálico estiver em movimento e lhe atingir. Os robôs macios ajudariam a eliminar lesões menores causadas por pequenos impactos e colisões.

Robôs macios podem operar em ambientes onde robôs tradicionais seriam considerados perigosos demais para uso. Por exemplo, eles poderiam ajudar a criar gado no futuro. Por enquanto, esses dispositivos são mais adequados para ambientes centrados no ser humano em comparação com robôs rígidos tradicionais.

Baixo Custo

Um dos maiores benefícios do estudo são as economias. Criar servidores robóticos e robôs rígidos é uma tarefa cara que tem limitado sua adoção a grandes fabricantes de alto padrão por décadas. Avanços recentes ajudaram a nivelar o campo de atuação para operações menores.
Esse desenvolvimento mais recente reduz ainda mais os custos. De acordo com a documentação dos pesquisadores, os protótipos de robô que eles usaram custaram apenas US $3 em materiais, excluindo o servo. Essa alternativa econômica abre portas para maior integração, já que há muitas tarefas que os robôs poderiam executar, mas restrições de custo limitaram seu uso até agora. Em breve, a robótica macia de baixo custo poderá estar ajudando no seu dia a dia.

Use Impressoras 3D Convencionais.

Outro avanço foi a introdução de um atuador biomimético compatível com impressoras 3D. A capacidade de fabricar esses dispositivos usando uma impressora 3D comum significa que qualquer pessoa pode integrar os resultados do estudo dos pesquisadores e criar designs robóticos macios novos e inovadores.

Integrado

Os pesquisadores têm orgulho de que seu novo atuador pode ser integrado perfeitamente aos designs robóticos atuais. Essa etapa ajudará a impulsionar a adoção e simplificar a inovação. Também auxilia os desenvolvedores a obter feedback imediato sobre sua pesquisa à medida que mais engenheiros aproveitam sua estratégia.

Líderes de Mercado Atuais

O mercado de robótica flexível tem uma competição acirrada entre os principais players. Um estudo recente constatou que apenas 5 fabricantes líderes controlam 40 % do mercado de robótica flexível. O mesmo estudo revelou que a América do Norte lidera a corrida em termos de adoção. Alguns dos principais fabricantes incluem Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories e Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne é uma empresa de tecnologia em cibernética que busca combinar IA, robótica e sistemas de informação para criar um novo nível de eficiência e capacidades. A empresa é pioneira no mercado de cibernética e é reconhecida como uma das principais pesquisadoras e fabricantes de dispositivos robóticos macios.

Cyberdyne registrou um crescimento impressionante. A empresa viu sua receita expandir em +52 % de ¥2,15 bilhões para ¥3,29 bilhões em um único ano. Grande parte desse crescimento pode ser atribuído a empreendimentos bem‑sucedidos no setor de equipamentos médicos.

2. Soft Robotics

Soft Robotics é outro player importante no setor. Esta empresa se especializa em manufatura automatizada e tarefas agrícolas. Seus dispositivos integram soluções avançadas de inspeção visual e algoritmos de IA para garantir que possam selecionar, classificar e identificar itens com precisão.

Soft Robotics apresenta uma mão de agarre macia que utiliza visão 3D e IA para realizar tarefas complexas que antes eram possíveis apenas por humanos. Esses dispositivos capacitam os produtores com capacidades de colheita, classificação e embalagem em alta velocidade. Notavelmente, a Soft Robotics é um ótimo exemplo de como robôs macios podem melhorar a produtividade.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings é líder global em tecnologia de exoesqueletos. A tecnologia da empresa desempenha múltiplas funções, abrangendo tanto a área da saúde quanto a manufatura. Atualmente, eles oferecem uma variedade de exoesqueletos usados especificamente para reabilitação, terapia e auxílio a pessoas com problemas de mobilidade.

Ekso oferece exoesqueletos tanto para a parte superior do tronco quanto para a parte inferior do corpo. Esses dispositivos permitem que o usuário viaje mais longe, levante mais peso e suporte mais esforço sem fadiga. O posicionamento da empresa e seus produtos pioneiros ajudaram a garantir ganhos de receita significativos desde 2022.

Empresas que Poderiam se Beneficiar do Atuador Biomimético

Muitas empresas poderiam usar o estudo dos pesquisadores e melhorar suas ofertas atuais. Essas companhias já atuam no mercado e oferecem produtos que podem se beneficiar desta tecnologia em termos de maior eficiência, menores custos operacionais ou melhores soluções.

ReWalk Robotics

ReWalk é fornecedora de sistemas de caminhada biônica. A empresa ajudou milhares de pessoas a recuperar sua mobilidade graças à sua abordagem inovadora e foco. A ReWalk Robotics busca ajudar paraplégicos a retomar o controle de suas vidas usando seus produtos exclusivos.

O assistente de caminhada biônica ReWalk possui alças de perna acionadas por servo, bateria de mochila e controle remoto montado no pulso. Este dispositivo pode ser configurado para mover‑se quando solicitado ou para detectar movimento automaticamente. Nesse modo, o sistema pode melhorar as ações do usuário com esforço mínimo.

A ReWalk Robotics tem uma classificação de consenso de “compra” devido ao seu posicionamento no mercado. A empresa continua a inovar com seus designs e produtos exclusivos. A introdução de tecnologias adicionais, como IA e atuadores biomiméticos, pode reduzir drasticamente os custos de suas unidades no futuro.

RightHand Robotics

RightHand Robotics é outro fabricante de robôs macios. A empresa está localizada em Boston e oferece uma seleção de produtos projetados para oferecer soluções de coleta eficientes ao mercado. A empresa busca capacitar varejistas a conduzir comércio online simplificado com a ajuda de suas opções de classificação robótica.
Notavelmente, a RightHand Robotics recebeu múltiplos reconhecimentos por seus esforços. A empresa foi listada como Empresa de Robótica do Ano nos Prêmios da New England Venture Capital Association (NEVY) por seu trabalho na área.

A Biomimética Tornará a Vida Mais Fácil para Todos.

No futuro, os robôs ocuparão muitas mais posições. Os robôs macios ajudarão a avançar essa integração, pois esses dispositivos são mais adequados para trabalhar ao lado dos humanos do que unidades tradicionais. Por enquanto, a pesquisa conduzida por esses engenheiros pode transformar os robôs de opções raras para alternativas altamente acessíveis que qualquer pessoa pode adquirir. Assim, é prudente observar esses desenvolvimentos à medida que se desenrolam.
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