Aprimorando a Robótica Flexível com ‘Energia Incorporada’ Abre Novas Possibilidades

A robótica é um mercado de rápido crescimento, projetado para expandir de $94.54 bilhões em 2024 a superar $372.59 bilhões até 2034. 

Robôs industriais estão atualmente liderando esse crescimento. Hoje, mais de 3.4 million robôs industriais estão trabalhando para facilitar nossas vidas. As empresas industriais também planejam investir 25% de seu capital em automação industrial nos próximos cinco anos.

À medida que a robótica continua ganhando força, um subcampo da robótica também está atraindo a atenção dos pesquisadores. À medida que a demanda por robôs aumenta em aplicações além da automação industrial, o subcampo da robótica flexível está despertando um interesse crescente.

Esses robôs copiam os mecanismos de locomoção de corpos macios e flexíveis existentes na natureza, como cobras, minhocas, enguias, polvos e outros.

A robótica flexível tira inspiração das estruturas biológicas desses corpos macios para seu movimento suave e complexo. Em vez de usar componentes duros e metálicos como robôs tradicionais, os robôs flexíveis são tipicamente feitos de materiais flexíveis como gel e borracha. Isso permite que eles se adaptem a ambientes complexos e interajam com humanos com segurança.

Para sua atuação, são utilizadas diversas formas, como estímulos térmicos, sinais elétricos e pressurização de ar, entre outras. As fontes de ativação geralmente ficam fora do corpo dos robôs e controlam seus movimentos.

Esses robôs oferecem benefícios de adaptabilidade e maior segurança. O uso de material flexível e leve torna essas máquinas particularmente adequadas para interação direta com humanos, pois reduz o risco de lesões. Isso os torna altamente benéficos em aplicações como saúde e tecnologia vestível.

Ter juntas flexíveis e garras macias permite que esses robôs dobrem, torçam e estiquem facilmente. A capacidade de executar movimentos biológicos os torna úteis em tarefas que podem não ser seguras para humanos ou que exigem alto grau de controle. Sua flexibilidade estrutural e destreza também os tornam ideais para manusear objetos frágeis e executar outras tarefas delicadas.

Mas, claro, os robôs flexíveis também enfrentam desafios como força limitada, baixa precisão, baixa durabilidade, dificuldade de fabricação e escalonamento, e a necessidade de algoritmos avançados e sistemas extensivos de sensoriamento.

No entanto, dado que a capacidade dos robôs flexíveis corresponde de perto aos organismos biológicos macios, eles são uma característica promissora em diversas áreas como saúde, agricultura, busca e resgate, e exploração espacial.

Vários robôs flexíveis promissores já foram desenvolvidos. Por exemplo, o robô tentáculo de Harvard, cujo gripper macio semelhante a uma água-viva pode agarrar suavemente objetos frágeis ao imitar a mecânica de cabelos encaracolados.

No campo da saúde, o K-FLEX do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia avançada tem a capacidade de realizar cirurgias endoscópicas sem cicatrizes, e o coração biônico do MIT pode ajudar profissionais médicos a estudar doenças cardiovasculares e determinar o melhor tratamento para pacientes.

Robôs flexíveis também estão sendo utilizados para explorar oceanos. Há alguns anos, pesquisadores chineses apresentaram um robô flexível autoalimentado que pode alcançar o ponto mais profundo — a Trincheira de Mariana. Quanto à exploração espacial, robôs flexíveis escavadores patrocinados pela NASA podem navegar em terrenos arenosos e podem, um dia, ser enviados para explorar as luas de Júpiter.

À medida que a pesquisa em torno dos robôs flexíveis avança, eles podem até ser esperados substituir robôs rígidos em várias aplicações. 

A Evolução das Espécies de Robôs Flexíveis

Um novo estudo da Cornell Engineering apresentou um robô terrestre rastejante sem fios com um sistema de energia modular integrado ao longo de seu corpo macio. 

Antes de criar esse robô minhoca, o laboratório construiu um robô água-viva em colaboração com o Archer Group da Cornell Engineering. Ambos são descendentes diretos de um robô macio aquoso que foi apresentado há seis anos. 

Então, em 2019, pesquisadores da Universidade Cornell apresentaram um artigo¹ intitulado “Sistemas vasculares eletrolíticos para robôs de alta densidade energética”. O sistema, que emulava baterias de fluxo redox, combinava as funções de transmissão de força hidráulica, atuação e armazenamento de energia em um único design que aumentou a densidade energética do robô, permitindo operação por até 36 horas. 

Para isso, os pesquisadores se inspiraram em um peixe-leão, que usa nadadeiras em forma de leque ondulantes para deslizar em ambientes de recifes de coral.

Na época, os pesquisadores observaram que “o uso de armazenamento eletroquímico de energia em fluidos hidráulicos pode facilitar maior densidade energética, autonomia, eficiência e multifuncionalidade em futuros designs de robôs”.

Alguns meses atrás, um novo artigo², “O uso multifuncional de uma bateria aquosa para um robô água-viva de alta capacidade”, foi lançado. Desta vez, um RFB foi formado na forma de uma água-viva, proporcionando um uso multifuncional da energia. 

Águas-vivas são majoritariamente compostas de uma substância chamada “mesogleia”, que serve como esqueleto interno. Esse material torna o corpo da água-viva elástico e ajuda a restabelecer sua forma após deformação devido à contração muscular. A mesogleia é constituída por microfibrilas contendo fibrilina que a água-viva usa para alimentar seus músculos, além de permitir movimento e alimentação.

O robô foi alimentado exclusivamente por RFBs com densidade energética volumétrica e areal aumentada, resultando em uma longa vida operacional para UUVs compostos principalmente por líquido, que é densamente energético eletroquimicamente.

Agora, a pesquisa³ evoluiu ainda mais, assim como a vida terrestre, impulsionada pelo desenvolvimento e design de baterias.

De acordo com Rob Shepherd, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, que liderou o projeto anterior e este novo:

“É assim que a vida na terra evoluiu. Você começa com o peixe, então você obtém um organismo simples suportado pelo solo. A minhoca é um organismo simples, mas tem mais graus de liberdade.”

O mesmo “sangue de robô”, ou seja, o fluido hidráulico que armazenava energia e alimentava as aplicações dos robôs anteriores, também sustenta a nova espécie de robô. Desta vez, porém, os pesquisadores aprimoraram ainda mais o design para alcançar maior capacidade de bateria e densidade de potência.

A água-viva, observou Shepherd, tem muito mais capacidade para seu peso. Isso aumentou a duração do tempo que o robô-peixe poderia viajar, sendo mais longo que o peixe real. Agora, sua primeira versão acima do solo é a minhoca, que recebe sustentação flutuante quando submersa e não precisa de esqueleto, o que significa que não precisa ser rígida.

Clique aqui para saber se cerâmicas são fundamentais para ampliar os sentidos na robótica flexível.

Energia Incorporada Alimentando Robôs Flexíveis

À medida que a demanda por maior agilidade em robótica cresce, sua complexidade também aumentará. Isso significa um aumento nas densidades de sensoriamento e graus de liberdade (DoF), que é o movimento independente de um objeto.

Como resultado, o consumo de energia dos robôs provavelmente aumentará também, tornando a capacidade energética um fator importante a ser considerado.

É aqui que a energia incorporada entra em cena. Trata-se de uma estratégia de design que melhora a densidade energética ao nível de sistema por meio do uso multifuncional de fontes de energia embutidas. Essa abordagem basicamente inclui fontes de energia no corpo da máquina, reduzindo seu custo e peso.

O robô minhoca modelar construído pelo Laboratório de Robótica Orgânica e sua água-viva demonstram os benefícios dessa ‘energia incorporada.’ 

Ao incorporar a energia armazenada nas baterias como parte integral da estrutura e mecânica do robô, os pesquisadores conseguiram obter resultados melhores. O estudo observou:

“Incorporar uma fonte de energia em módulos atuadores de tendão acionados por motor fornece uma unidade muscular artificial componível em robôs capazes de trabalho de longa duração e útil.”

Ambos os robôs apresentam uma bateria de fluxo redox (RFB), que é um tipo de sistema eletroquímico que armazena energia fornecida por dois componentes químicos dissolvidos em líquido. 

No caso do robô em forma de água-viva, o RFB foi construído com um tendão. Quando o tendão é puxado, ele altera a forma da campânula e empurra a criatura para cima, afundando novamente quando a campânula relaxa. 

Mais importante ainda, o robô água-viva apresenta um par de baterias redox: iodo de zinco (ZnI2) e brometo de zinco (ZnBr2). O bromo foi adicionado ao iodo em uma das baterias para melhorar o transporte iônico, o que aumentou a capacidade da bateria e a densidade de potência. Como resultado, o robô água-viva ficou mais rápido e ágil, com uma vida operacional de cerca de 90 minutos.

Agora, para evitar o problema de acúmulo de dendritos nos substratos elétricos das baterias, que obstruem o carregamento e descarregamento, os pesquisadores utilizaram grafeno. Aplicar grafeno permitiu um melhor ajuste dos planos cristalinos e um revestimento mais uniforme do zinco. 

O robô minhoca apresenta um design compartimentalizado. O corpo da minhoca é uma série de cápsulas interconectadas, cada uma contendo um motor e um atuador de tendão para permitir que a minhoca comprima e expanda sua forma. Cada cápsula também contém um conjunto de bolsas de anolito submersas em um catolito.

Um elemento essencial do design foi o uso de um método de adesão a seco para unir automaticamente separadores de Nafion ao corpo de copolímero de silicone-uretano da minhoca. O separador mantém os anolitos e catolitos separados enquanto permite que a carga se mova entre eles, o que então impulsiona os elétrons através do motor.

“Existem muitos robôs que são alimentados hidraulicamente, e nós somos os primeiros a usar fluido hidráulico como bateria, o que reduz o peso total do robô, porque a bateria serve a dois propósitos, fornecendo energia para o sistema e fornecendo a força para movê‑lo. Assim, você pode ter coisas como uma minhoca, onde quase toda a energia, então ela pode viajar longas distâncias.”

– Shepherd

Ao testar o robô minhoca, os pesquisadores descobriram que ele pode rastejar ao longo do chão bem como subir e descer um tubo vertical. Enquanto o robô minhoca pode navegar por um caminho curvo e fechado e escalar, ele é bastante lento, embora ainda mais rápido que outros robôs minhoca alimentados hidraulicamente. Em uma única carga, a minhoca leva 35 horas para percorrer 105 metros.

A minhoca, segundo os pesquisadores, pode encontrar aplicação na exploração de ambientes restritos como passagens longas e estreitas e possivelmente na realização de reparos. Quanto à água‑viva, seu caso de uso pode ser encontrado na exploração oceânica. 

Apoiado pelo Office of Naval Research e pelo Programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia, esta pesquisa é apenas o começo, pois o foco de trabalhos futuros será em um RFB totalmente líquido. O estudo observou que a bateria de polissulfeto‑iodeto, com sua alta densidade energética e baixo custo, mostra particularmente promessa para aplicações em robótica flexível.

Em última análise, a equipe pretende construir robôs de energia incorporada de alta capacidade. Esses futuros robôs também terão esqueletos e poderão até andar, resultando em robôs semelhantes a humanos.

“Um organismo imperfeito. Mas ainda assim muito bom.”

– Shepherd

Empresas Relevantes

Agora, vamos analisar algumas empresas de capital aberto que estão ajudando a avançar o campo da robótica. 

1. iRobot Corporation

Uma empresa global de robôs de consumo, a iRobot está envolvida no design, construção e venda de robôs duráveis. Seus produtos incluem Roomba, Braava e Root. A iRobot vendeu dezenas de milhões de seus robôs em todo o mundo.

Com uma capitalização de mercado de US$ 231 milhões, as ações da iRobot estão atualmente negociando a US$ 7,59, queda de 2,45% no ano. Seu EPS (TTM) é -4,60, enquanto seu índice P/E (TTM) é -1,64.

Mais recentemente, a empresa divulgou resultados financeiros preliminares para o quarto trimestre de 2024, segundo os quais espera uma receita de US$ 171 milhões e uma perda operacional GAAP de US$ 59 milhões. Também espera que seu caixa e equivalentes de caixa no final do exercício de 2024 sejam cerca de US$ 134 milhões.

Os resultados, disse o CEO Gary Cohen, “refletem gastos promocionais sazonais maiores que o esperado para estimular as vendas antes dos lançamentos de novos produtos em 2025.” Ele também compartilhou que a iRobot “mudou fundamentalmente a forma como inovamos, desenvolvemos e construímos nossos robôs,” e que seus lançamentos de produtos planejados “que são projetados para entusiasmar os consumidores com robôs ricos em recursos e melhorar a experiência do produto de consumo” estão no caminho para serem lançados este ano.

2. Teradyne

Um fornecedor global de equipamentos de teste automatizado e soluções de robótica, a Teradyne opera através de quatro segmentos cujo foco são semicondutores, produtos sem fio, sistemas que cobrem armazenamento, aeroespacial e placas de circuito, e robótica, que abrange braços robóticos, robôs móveis autônomos e software avançado de controle robótico.

A empresa implantou mais de 80.000 sistemas robóticos avançados em todo o mundo e investiu mais de US$ 700 milhões em robótica avançada e automação. Os robôs MiR da Teradyne agilizam o transporte interno e o manuseio de materiais, enquanto seus cobots suportam uma ampla gama de aplicações. Suas soluções de automação permitem que as empresas melhorem sua eficiência operacional integrando o poder das máquinas.

Com uma capitalização de mercado de US$ 18,74 bilhões, as ações da Teradyne estão atualmente negociando a US$ 116, queda de 8,61% no ano. Seu EPS (TTM) é 3,32, enquanto seu índice P/E (TTM) é 34,68. A empresa paga um rendimento de dividendos de 0,42%.

Para o quarto trimestre de 2024, a empresa reportou uma receita de US$ 753 milhões, dos quais US$ 98 milhões foram provenientes da Robótica e o restante do segmento de semicondutores. Seu lucro líquido GAAP para o trimestre foi de US$ 146,3 milhões ou US$ 0,90 por ação diluída.

O CEO Greg Smith atribuiu esse crescimento a forte computação de IA e memória relacionada, enquanto os setores Mobile e Auto/Industrial superaram as expectativas. A aceleração da receita é esperada para este ano, com a Teradyne planejando realinhar estrategicamente seu negócio de Robótica para melhorar a experiência do cliente e impulsionar a eficiência operacional.

3. Zimmer Biomet

Uma empresa global de tecnologia médica, a Zimmer Biomet (ZBH ) está envolvida em biológicos, medicina esportiva, extremidades, produtos de trauma, produtos cirúrgicos e um conjunto de tecnologias robóticas que utilizam dados, análise de dados e IA. 

Com uma capitalização de mercado de US$ 22 bilhões, as ações da Zimmer Biomet estão atualmente negociando a US$ 110,10, alta de 4,72% no ano. Seu EPS (TTM) é 5,25, enquanto seu índice P/E (TTM) é 21,07. A empresa paga um rendimento de dividendos de 0,87%.

Para o terceiro trimestre de 2024, a empresa reportou vendas líquidas de US$ 1,824 bilhão, um aumento de 4% em relação ao período do ano anterior, enquanto seu lucro líquido foi de US$ 249,1 milhões. O lucro por ação diluída para o trimestre foi de US$ 1,23, enquanto o lucro diluído ajustado por ação foi de US$ 1,74. Após esse “desempenho forte”, o CEO Ivan Tornos disse que continuarão avançando sua “missão de ajudar milhões de pessoas a aliviar a dor e melhorar sua qualidade de vida.” 

Durante esse período, a empresa adquiriu a OrthoGrid Systems, uma empresa de tecnologia médica focada em sistemas de orientação cirúrgica impulsionados por IA para substituição total de quadril. Ela também está prestes a adquirir a Paragon 28 , uma empresa de dispositivos médicos, em um acordo de US$ 1,1 bilhão para tratar doenças do pé e tornozelo.

Conclusão

Com a demanda por automação e eficiência em ascensão, a popularidade da robótica também cresce. Diante desse forte cenário de crescimento, o subcampo da robótica flexível está vendo muita inovação, desbloqueando novas aplicações em saúde, exploração e automação industrial. 

A evolução da robótica flexível — combinando adaptabilidade inspirada em organismos vivos com energia incorporada — traz o potencial de finalmente superar as limitações históricas de durabilidade e eficiência energética. À medida que pesquisadores, apoiados por iniciativas governamentais, continuam refinando o design de robôs e fontes de energia multifuncionais, essas máquinas estão se tornando gradualmente uma realidade, melhorando acessibilidade, eficiência e segurança.

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