Avançando a Robótica com Sucção em Multiescala

Robôs e o estudo da robótica são um campo em constante evolução que continua a explorar novas vias para tornar nossos processos mais eficientes e otimizados. Esses esforços e explorações são frequentemente inspirados pela natureza e pelos reinos animais ao nosso redor. Por exemplo, cientistas da Universidade de Bristol desenvolveram uma ventosa robótica com habilidades de sucção super adaptativas semelhantes às ventosas biológicas de um polvo.

Mecanismo de Sucção Inspirado em Polvo em Robôs

Tudo começou com o Bristol Robotics Laboratory estudando a estrutura das ventosas biológicas de um polvo, que exibem níveis muito altos de capacidade de sucção e podem se fixar a qualquer rocha da maneira mais otimizada possível. Essa pesquisa levou à criação de uma estrutura macia de múltiplas camadas e de um sistema fluídico artificial que poderia se comportar como a musculatura e as estruturas de muco de um polvo.  

Ao explicar a realização mais significativa desta pesquisa, Tianqi Yue, autor principal do artigo, disse o seguinte: “O desenvolvimento mais importante é que demonstramos com sucesso a eficácia da combinação de conformação mecânica – o uso de materiais macios para se adaptar à forma da superfície – e selo líquido – a distribuição de água sobre a superfície de contato para melhorar a adaptabilidade da sucção em superfícies complexas. Isso também pode ser o segredo por trás da capacidade dos organismos biológicos de alcançar sucção adaptativa.”

Portanto, o desenvolvimento chave é elevar um nível acima do modo atual de sucção artificial e entrar no domínio da sucção adaptativa — a capacidade de aderir às superfícies mais difíceis e complexas. Isso exigiu um mecanismo de multi‑sucção, e a pesquisa demonstrou como alcançá‑lo. 

Pesquisa Histórica para Compreender Melhor Como Funcionam as Ventosas de Polvo

Compreender como funciona a sucção nos polvos tem sido, há muito tempo, uma área de interesse para a comunidade científica. Os pesquisadores sabiam que os polvos podiam mover suas ventosas independentemente e agarrar objetos quando necessário. 

Um estudo realizado por pesquisadores em Livorno, há mais de uma década, investigou os polvos e descobriu que os lados e bordas de suas ventosas eram construídos de forma única. Suas ventosas possuíam pequenas ranhuras concêntricas, que as ajudavam a formar um selo forte em qualquer superfície rugosa subaquática. 

Ranhuras semelhantes também podiam ser vistas na seção superior, resultando em um selo eficaz e forte, porém de baixa pressão. 

Ao investigar mais esse fenômeno de baixa pressão, os pesquisadores obtiveram mais insights sobre as ventosas. Descobriram que, enquanto os lados e bordas das ventosas eram macios, a parte superior era muito mais rígida. Essa menor elasticidade, em todas as probabilidades, ajudou na geração local de baixa pressão, tornando a adesão superior, robusta e eficiente. 

Desde essa descoberta, tem havido discussões sobre imitar os mecanismos de sucção de polvo em robôs. Agora, podemos ver os esforços chegando a frutos. 

Mecanismo de Multi‑Sucção e Como Foi Decifrado!

A pesquisa propôs que o mecanismo de multi‑sucção semelhante ao de polvo poderia ser replicado por meio de uma combinação orgânica de conformação mecânica e selo de água regulado. Os materiais macios de múltiplas camadas que a solução robótica utilizou primeiro geraram uma conformação mecânica áspera ao substrato, o que acabou reduzindo as aberturas de vazamento para micrômetros. Essas aberturas de tamanho micrométrico foram então seladas pela secreção de água regulada de um sistema fluídico artificial. 

As Implicações Futuras desta Pesquisa

Ao destacar suas áreas potenciais de aplicação, os pesquisadores observaram que esse desenvolvimento pode abrir caminho para garras robóticas capazes de lidar com uma variedade de superfícies secas complexas. Eles enfatizaram a importância desse mecanismo de sucção adaptativa em multi‑escala no desenvolvimento de estratégias de sucção mais eficazes e singularmente adaptativas, o que poderia levar a um espectro completo de mecanismos de adesão macia e versátil. 
Ao apontar a melhoria que esta solução introduz em relação às soluções existentes, Tianqi Yue disse:

“As soluções industriais atuais utilizam bombas de ar sempre ligadas para gerar ativamente a sucção, porém, são barulhentas e desperdiçam energia.” 

A solução atual não necessita de bomba, portanto é superior. E, como esperado pelos desenvolvedores, a solução presente levará a garras robóticas de próxima geração que poderão agarrar de forma eficiente diversos objetos irregulares. A própria equipe está planejando uma ventosa inteligente com sensores incorporados que regulariam habilmente o comportamento da ventosa.
Embora esta pesquisa e a solução que propõe sejam, sem dúvida, um avanço, a comunidade científica e de robótica sempre foi inspirada pelos polvos. 

A Incrível Criatura que é o Polvo

A composição genética de um polvo é tão única que difere significativamente de quase qualquer criatura neste planeta. Um estudo de DNA sobre polvos revelou que eles possuem cerca de 33.000 genes, aproximadamente 10.000 a mais que um humano. Ao contrário dos humanos e de muitos outros animais que podem melhorar seu código genético, os polvos têm a incrível capacidade de editar seu próprio RNA. 

Também havia algumas semelhanças com os humanos. E essas semelhanças ajudaram‑os a se tornar mais inteligentes como os humanos. 

Por exemplo, os polvos possuem um conjunto de genes semelhantes aos humanos que contribuem para uma rede neural em seus cérebros. Essa rede neural os torna adaptáveis a diversas circunstâncias e aprendizes rápidos. Além disso, sua capacidade de editar seus RNAs aumenta sua adaptabilidade, permitindo‑les suportar o frio extremo das profundezas oceânicas. 

Como se pode observar visualmente, os polvos têm um cérebro grande. E, como os humanos, possuem um sistema circulatório fechado, olhos protegidos pela íris, retina e lente. 

Os polvos também têm capacidades de camuflagem de primeira classe. Agora que seu código genético foi decodificado, será mais fácil para os cientistas entender como eles conseguem isso. Eles mudam a cor da pele em milissegundos, uma capacidade da qual neurocientistas, engenheiros têxteis e engenheiros estruturais podem se beneficiar. 

A Mente de um Polvo

O brilho fisiológico de um polvo, especialmente seu grande cérebro, motivou os cientistas a estudarem seus processos cognitivos mais profundamente. 
Em 2016, Peter Godfrey‑Smith, Professor Distinto de Filosofia no Graduate Center, City University of New York, e professor de história e filosofia da ciência na University of Sydney, na Austrália, escreveu um livro intitulado ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.‘ Nele, ele escreveu:

“Polvos e seus parentes (chocos e lulas) representam uma ilha de complexidade mental no mar de animais invertebrados. Desde meus primeiros encontros com essas criaturas há cerca de uma década, tenho sido intrigado pelo poderoso senso de engajamento que é possível ao interagir com eles.”

No livro, o Professor Godfrey‑Smith destacou que um polvo comum possui cerca de 500 milhões de neurônios em seu corpo. Embora isso seja muito menos que o que os humanos têm — quase 100 bilhões — os polvos são bastante inteligentes, pois podem navegar em labirintos simples e utilizar pistas visuais de forma eficaz para distinguir dois ambientes diferentes, porém familiares, e escolher a melhor rota. 
É a combinação de inteligência e singularidade fisiológica que faz os polvos se destacarem. Em essência, o campo da robótica sempre tentou alcançar esse estado em que instrumentos inteligentes realizariam tarefas complexas. Não é de se admirar que estudantes de robótica estejam explorando continuamente essa incrível criatura. Além de pesquisadores institucionais, várias empresas renomadas estão ativas nessa área. 

#1. ABB

Uma empresa que sempre teve interesse em imitar as capacidades dos polvos em seus produtos foi a ABB. Em 2018, a ABB Technological Ventures, braço de investimento de capital de risco estratégico da ABB, firmou uma parceria com a Soft Robotics, um spin‑off do Whitesides Group. 
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0-2B1Vn75Qg&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Frodinanews.co.uk%2F&feature=emb_imp_woyt

Inspirada na funcionalidade dos tentáculos de um polvo, a Soft Robotics desenvolveu atuadores robóticos macios a partir de polímeros que operam sem a necessidade de sensores ou dispositivos eletromecânicos. A empresa construiu e incorporou o poder computacional diretamente na própria garra e desenvolveu uma mistura proprietária de materiais com canais microfluídicos que imitam os tecidos macios da mão humana. 

Desenvolvimentos recentes na integração de sucção em multi‑escala em robótica avançada podem melhorar a eficácia e eficiência dessas tecnologias. 

Polvos, conhecidos por sua alta inteligência e estruturas oculares sofisticadas que se assemelham às humanas, inspiraram desenvolvimentos significativos na robótica. Este ano, a ABB adquiriu a Sevensense, uma empresa suíça de tecnologia que se especializa em melhorar a mobilidade de robôs industriais equipando‑os com capacidades visuais e cognitivas.

No exercício financeiro de 2023, o Grupo ABB reportou receitas de US$32,2 bilhões. A empresa também fez um investimento significativo de US$1,3 bilhão em pesquisa e desenvolvimento. Enquanto isso, sua margem EBITA operacional ficou próxima de 17%. 

#2. Festo

Em outra ocasião, onde uma empresa líder em robótica já demonstrou interesse e pode aproveitar ainda mais a sucção em multi‑escala para aprimorar suas capacidades, analisamos o robô da empresa alemã de robótica Festo inspirado em um polvo. 
https://www.youtube.com/watch?v=WeEJrJNpvP0

Originalmente chamado OctopusGripper, este dispositivo robótico podia pegar, segurar e colocar itens usando uma combinação de ventosas e ar. Desde então foi renomeado para Tentacle Gripper. A empresa descreve essa garra biônica como uma estrutura de silicone macio que pode ser controlada pneumaticamente. Quando o ar comprimido é fornecido, a garra pode dobrar para dentro, permitindo que se envolva ao redor dos itens de forma segura. 

Estruturalmente, a garra possui duas linhas de ventosas anexadas ao interior dos tentáculos de silicone. Pequenas ventosas são colocadas na ponta da garra, proporcionando um efeito passivo, enquanto ventosas maiores, alimentadas por vácuo, ajudam o objeto a aderir firmemente à garra. 

A Festo testou o robô em dois robôs leves pneumáticos também desenvolvidos na Bionic Learning Network: o BionicMotionRobot e o BionicCobot. Devido à sua natureza cinemática, ambos os robôs eram flexíveis e podiam ser rigidificados de forma variável em infinitas maneiras. 

Como o tentáculo artificial foi desenvolvido a partir de um material macio, ele pode agarrar de forma suave e delicada. A empresa alegou que a solução tem grande potencial para ambientes de trabalho colaborativos futuristas. 

Em termos de receita, o exercício financeiro de 2023 foi um ano de consolidação para a empresa. De acordo com um dos comunicados de imprensa da Festo, seu faturamento registrado ficou ligeiramente abaixo do nível do ano anterior (‑4,3% para cerca de 3,65 bilhões de euros). 

Independentemente da leve queda na receita, a empresa afirmou ter continuado a investir fortemente em pesquisa e desenvolvimento e na expansão do fornecimento de mercado regional. Mais especificamente, a empresa investiu 7,7% de seu faturamento em pesquisa e desenvolvimento em 2023. 

Sobre a Robótica que Busca Inspiração na Natureza e no Reino Animal

Hoje, discutimos um caso específico de robótica que se inspira nas ventosas de um polvo. No entanto, visto de uma perspectiva mais ampla, pode se inspirar em todo o mundo natural ao nosso redor. E várias iniciativas de robótica bio‑inspirada já estão em ação no domínio público. 

Por exemplo, em janeiro de 2024, foi publicado um estudo apresentando um robô autônomo em crescimento inspirado nas estratégias adaptativas comportamentais de plantas trepadeiras para navegar em ambientes não estruturados. Esses robôs poderiam imitar os brotos apicais das plantas trepadeiras para detectar e coordenar o crescimento adaptativo aditivo por meio de um mecanismo de fabricação aditiva incorporado e uma ponta sensorizada.

Pesquisas significativas também ocorreram na área de materiais compatíveis com a fabricação de robôs macios. Há alguns anos, uma equipe de cientistas e engenheiros da University of Minnesota Twin Cities desenvolveu um processo inspirado em plantas para potencializar o crescimento de materiais sintéticos. 

A solução poderia ajudar os pesquisadores a fabricar robôs macios aprimorados capazes de navegar em terrenos complexos, mesmo dentro do corpo humano. Segundo Matthew Hausladen, primeiro autor do artigo, os pesquisadores foram realmente inspirados por como plantas e fungos crescem. Os pesquisadores disseram:

“Nós (a equipe de pesquisadores) pegamos a ideia de que plantas e fungos adicionam material no final de seus corpos, seja nas pontas das raízes ou nos novos brotos, e traduzimos isso para um sistema de engenharia.”

O mundo natural passou por mudanças e transformações infinitamente maiores do que podemos imaginar, com animais sobrevivendo e se adaptando ao longo de milênios. Devemos estudar suas incríveis técnicas de adaptação meticulosamente e observá‑las em maior detalhe. Tentar replicá‑las em seu verdadeiro espírito sempre nos ajudará a alcançar muito mais do que podemos imaginar nos campos da ciência e da tecnologia. 

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