Como a Robótica Pode Se Inspirar na Natureza

De uma fonte de diversão para escritores de ficção científica a uma ferramenta de desenvolvimento para a sociedade humana, robôs e a robótica percorreram um longo caminho.

Entre 2016 e 2028, espera‑se que o mercado global de robótica cresça de quase US$23 bilhões para mais de US$45 bilhões. No início, a robótica era considerada algo que permaneceria restrito aos ambientes industriais.

Ao contrário, mais da metade do mercado de robótica agora é composta por robótica de serviço. Hoje, os robôs são amplamente utilizados nas indústrias automotiva, química, elétrica/eletrônica, alimentícia, médica e outras. De forma ainda mais inovadora, os fornecedores de robótica estão garantindo seu uso em áreas mais tradicionais, como agricultura, trabalho doméstico e entretenimento.

Embora seja verdade que o papel da robótica tem sido transformador em muitos campos convencionais, ela pode aprender algo com o mundo ao nosso redor? Hoje, examinaremos de perto cenários em que a robótica pode se inspirar na natureza.

Como a Robótica Bio‑inspirada Pode Se Enriquecer com os Besouros Giradores

Conhecidos como o inseto nadador mais rápido do mundo, os besouros giradores podem alcançar uma aceleração de 100 metros por segundo e uma velocidade máxima de 100 comprimentos de corpo por segundo, ou 1 metro por segundo, para ser preciso. Mas como eles conseguem tal velocidade e aceleração?

Sua estratégia de nado foi estudada por pesquisadores e publicada na revista Current Biology. O estudo recebeu o título, ‘Besouro Girador Usa Propulsão Baseada em Sustentação para o Nado Mais Rápido de Insetos.’

A pesquisa utilizou duas câmeras de alta velocidade sincronizadas em ângulos diferentes. O resultado foi um vídeo que detalhava o mecanismo de nado: propulsão baseada em sustentação. Ele funciona de forma semelhante a uma hélice, com o movimento de propulsão ocorrendo perpendicular à superfície da água. O mecanismo ajuda a eliminar o arrasto e gera mais impulso para maior velocidade.

Por que essa descoberta é importante? Embora seja verdade que a propulsão baseada em sustentação já havia sido identificada em organismos de grande escala, este estudo demonstra que o fenômeno se aplica a uma escala de comprimento tão pequena quanto 1 centímetro.

De acordo com Chris Roh, Professor Assistente de Engenharia Biológica e Ambiental na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida, essa descoberta fala à robótica bio‑inspirada e a outras comunidades de engenharia para primeiro identificar a física correta e então tentar preservá‑la ao criar os robôs.

Mais especificamente, Roh acredita que esse fenômeno pode ser usado no desenvolvimento de embarcações robóticas não tripuladas, que podem ser muito menores e mais flexíveis ao aproveitar os mecanismos de propulsão que geram sustentação dos besouros giradores. Os Estados Unidos estão em processo de desenvolvimento de tais barcos, que ficarão livres das restrições de acomodar uma tripulação.

Esta pesquisa nos leva a ver a robótica sob uma nova luz. É sempre possível tirar lições da natureza e reverter seu design em projetos homem‑mecânicos. Encontramos mais alguns exemplos dessa sinergia entre natureza/humanos e a máquina.

Robô Inspirado em Polvo que Foi Aclamado como o Futuro da Robótica Flexível

Criado em 2016 por Cecilia Laschi, professora do Instituto de BioRobótica da Sant’Anna, Pisa, Itália, o robô inspirado em polvo era extremamente flexível e podia reagir ao seu ambiente com muito mais sensibilidade e precisão do que a maioria dos outros robôs flexíveis desenvolvidos até então. Nas palavras de Laschi:

“Este campo de pesquisa relativamente novo tem o potencial de revolucionar nossas ideias sobre o que os robôs são capazes de fazer e onde podem ser úteis.”

O robô, que exigia muito menos poder de computação e era muito mais hábil em se mover em terrenos irregulares, podia absorver líquido e depois expulsá‑lo de seu corpo. Ele podia percorrer o leito marinho áspero usando todas as suas oito pernas.

O robô foi construído com polímeros eletroativos que se contorcem quando expostos à eletricidade. O robô teve seus testes bem‑sucedidos no Mediterrâneo no início de 2016. Seu desenvolvimento ajudou o campo da robótica flexível a avançar muito mais desde então.

Em um caso, em 2017, a Universidade de Harvard criou o Octobot, um robô flexível com todos os seus componentes mecânicos substituídos por sistemas suaves análogos. Foi impresso em 3D e possuía canais embutidos que facilitavam o controle de energia e movimento, alimentado por pneumática a gás.

Além dos desenvolvimentos inspirados em polvo, a robótica bio‑inspirada também imitou outros animais. Os engenheiros da École Polytechnique Fédérale de Lausanne, por exemplo, desenvolveram um robô que imitava o movimento de uma salamandra.

Outra equipe de pesquisadores se inspirou em cobras. Devido à sua capacidade de atravessar terrenos complexos e intricados, esses robôs podem ser úteis na exploração espacial.

Pleurobot e Snakebot: Robótica que Tornou Movimentos Complexos Possíveis

O Pleurobot se inspira no movimento de uma salamandra. Possui uma vértebra única que ajuda o robô a deslizar dentro e fora da água. Tem 11 segmentos da coluna. Em termos de visão, o desenvolvimento do robô visava reestimar o funcionamento da medula espinhal humana, bem como a forma como o cérebro interage com ela.

Imitar o movimento de uma salamandra por meio de um robô foi um avanço crucial, pois as salamandras podem passar de rastejar a caminhar e a nadar realizando o mesmo movimento, apenas alterando a velocidade. Essas inovações podem ser transformadoras e revolucionárias quando aplicadas a máquinas e robôs.

O Snakebot, por outro lado, foi idealizado por um grupo de pesquisadores da Carnegie Mellon University. Eles buscaram desenvolver um robô que imitasse o movimento de uma cobra ao rastejar por terrenos difíceis, escombros e contornar obstáculos. O robô tinha 37 polegadas de comprimento e 2 polegadas de diâmetro, com 16 articulações. Segundo o último relatório, a NASA havia implantado esses robôs em seus projetos de exploração espacial.

Com esses desenvolvimentos e muitos outros, os robôs que se inspiram na natureza, também conhecidos como robótica bio‑inspirada, ganharam destaque. O Massachusetts Institute of Technology, uma das instituições mais admiradas e reverenciadas do mundo no ensino de engenharia, oferece um curso de robótica bio‑inspirada em seu departamento de engenharia mecânica.

O curso pretende incentivar uma “abordagem interdisciplinar ao design bio‑inspirado, com ênfase na extração de princípios aplicáveis a várias áreas de pesquisa em robótica, como robótica, próteses e tecnologias assistivas humanas.”

Não são apenas as grandes instituições que se interessam, mas também empresas de tecnologia de grande porte estão se envolvendo na robótica bio‑inspirada com muito entusiasmo. Por exemplo, a Boston Dynamics, empresa adquirida pela Hyundai em 2021 por US$1,1 bilhão, desenvolveu um robô que imita um cachorro para executar diversas tarefas difíceis. A máquina de quatro pernas foi chamada de Spot.

1. Spot da Boston Dynamics: Um Robô de Quatro Pernas que Imita um Cão

Desenvolvido como um cão amarelo sem cabeça, o Spot, da Boston Dynamics, pode subir colinas e percorrer escadas. O dispositivo custava US$74.500. Ele servia a múltiplos propósitos, desde inspeção de fábricas, canteiros de obra e ambientes perigosos, podendo subir e até mesmo percorrer escadas.

O Spot agora pode operar 24 horas por dia, 7 dias por semana, sem intervenções. Ele pode recarregar‑se autonomamente e replanejar dinamicamente ao redor de novos obstáculos. Segundo números oficiais, os robôs Spot já atenderam a mais de 1.000 clientes até o momento.

O Spot atende a diversos setores, incluindo manufatura, energia e recursos naturais, construção, academia e educação, e governo.

Depois que a Hyundai finalizou seu acordo para assumir a Boston Dynamics, passou a deter 80% das ações da empresa. A SoftBank, por meio de uma de suas afiliadas, manteve o controle dos restantes 20%.

A Hyundai publicou suas demonstrações financeiras consolidadas de 2022 em 21 de março de 2023. A empresa faturou 6.126.969 milhões de won coreanos em 2022, um aumento considerável em relação aos 3.782.498 milhões de won coreanos faturados em 2021. Os dividendos pagos em 2022 foram 7.207 milhões.

2. Aquisição da SevenSense pela ABB: Um Avanço no Desenvolvimento de Robôs Inspirados na Natureza

ABB, outro gigante global da robótica, adquiriu recentemente a SevenSense, uma startup suíça que se especializa em melhorar a mobilidade de robôs industriais. Mais especificamente, a SevenSense desenvolve sistemas robóticos equipados com sensores e IA que possuem funcionalidades de olho e cérebro para se movimentar ao redor de instalações e percorrer todo o espaço da fábrica.

As soluções não permanecerão limitadas a linhas de produção fornecidas que normalmente utilizam tiras magnéticas fixas. Esses robôs podem mover 2 toneladas de material a velocidades de 1,5 metros por segundo. Eles vêm equipados com seis câmeras. Segundo Sami Atiya, chefe de robótica e automação discreta da ABB:

“No sistema antigo, quando era necessário mudar uma linha de produção de 100 metros, adicionando, por exemplo, uma nova célula de produção, era impossível desviar o robô. Agora podemos fazer isso facilmente.”

De acordo com seu último relatório financeiro disponível, a ABB teve uma receita anual de US$29,4 bilhões em 2022, comparada a US$28,9 bilhões em 2021.

3. Motobot da Yamaha Inspirado em Piloto Humano

Não são apenas os animais marinhos e nossos amigos de quatro patas que inspiram robôs; nós, humanos, também servimos de referência. O projeto único da Yamaha, Motobot, visa criar um robô humanoide ideal para operar um veículo sem modificações para uso autônomo. O Motobot pode operar o veículo de forma autônoma ao coletar dados da velocidade do veículo, rpm do motor, atitude da máquina e parâmetros semelhantes.

Yamaha planeja equipar o Motobot, no futuro, com GPS de alta precisão, sensores etc., para que ele tenha capacidade de reconhecimento de posição da máquina e tome decisões mais prudentes sobre as melhores linhas a seguir em uma pista e os limites de desempenho da motocicleta.

Para desenvolver o Motobot, a Yamaha fez parceria com a SRI International, um instituto de pesquisa global de destaque. A visão é extrair inspiração e conhecimento das tecnologias subjacentes ativas no desenvolvimento do MOTOBOT, como controle de robôs e criação de interfaces homem‑máquina.

De acordo com seu último relatório anual disponível para o FY 2022, a Yamaha obteve uma receita de mais de 408 bilhões de ienes japoneses no ano, com um lucro operacional principal de 43 bilhões de ienes japoneses.

Uma Lista de Desenvolvimentos Infinitos

Em nosso curto espaço de tempo, poderíamos discutir várias situações revolucionárias em que a robótica se inspirou significativamente na natureza. Contudo, uma pesquisa das publicações disponíveis mostra que isso foi apenas a ponta do iceberg. A robótica, como um campo de estudo, pesquisa, desenvolvimento e aplicação, tem se inspirado consideravelmente na natureza e continuará a fazê‑lo.

Os drones robóticos, por exemplo, são fortemente inspirados em pássaros. Não apenas em seu mecanismo de voo, mas também os pássaros inspiram os drones a voar efetivamente em condições climáticas adversas e ventos fortes.

Aves mergulhadoras levaram à criação do Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) no Laboratório de Robótica Aérea do Imperial College London. Esses AquaMAVs podem mergulhar na água em alta velocidade, ressurgir e expulsar água por meio de um jato. Essas soluções são usadas em diversos casos, incluindo a coleta de amostras de água para missões de resgate ou exploração subaquática.

As borboletas inspiraram micro‑robôs a possuírem um tipo especial de estrutura de asa que pode ajudá‑los a voar mais longe e evitar acidentes.

A Boston Dynamics, uma das empresas já mencionadas, tem outro robô chamado Atlas, que é um humanoide bípedo inteligente.

Jessiko é um robô subaquático que usa nadadeiras para atravessar a água. DelFly Micro é um robô de asas batentes de 3,07 gramas que, como o nome indica, é inspirado na mosca. O mundo também testemunhou o surgimento de robôs flexíveis de quatro pernas, impressos em 3D e inspirados em tartarugas.

A natureza possui milhões de animais e insetos. As capacidades evolutivas desses animais e insetos permitem que realizem coisas incríveis. Os humanos não são exceção. Aprender como esses corpos funcionam abriria muitas oportunidades para os robôs.

Muitas tarefas que exigem que humanos viajem a locais de risco podem ser realizadas por esses robôs. Esses robôs não apenas executam essas tarefas, mas podem fazê‑las com maior velocidade e eficiência, com muita delicadeza e precisão. Eles podem ajudar a realizar muitas tarefas repetitivas, liberando mais tempo para o cérebro humano fazer o que faz de melhor: idealizar e criar coisas novas para avançar a civilização.

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