Robôs Impressos em 3D de Baixo Custo Operam Sem Eletrônicos

No mundo da fabricação de robôs, o sonho de produzir máquinas prontas para funcionar diretamente da linha ainda está a muitos anos de distância, ou pelo menos estava. Uma equipe de Pesquisadores da Universidade da Califórnia surpreendeu recentemente o mercado ao divulgar detalhes de um novo método de fabricação e design de robô que não requer eletricidade e está pronto para ser usado imediatamente após a impressão. Veja o que você precisa saber sobre robôs impressos em 3D.

Como os Robôs São Fabricados? Explorando Técnicas Modernas de Fabricação de Robôs

Existem muitos tipos diferentes de robôs e ainda mais maneiras de criar esses dispositivos. Os robôs tradicionais podem ser construídos em linhas de montagem e podem exigir muitas etapas para montar e colocar em funcionamento. Por exemplo, um fabricante pode produzir o corpo, enquanto outros produzem componentes eletrônicos, baterias, controladores e outros componentes essenciais.

O que São Robôs Flexíveis? Benefícios e Aplicações no Mundo Real

Robôs flexíveis são outro tipo de máquina que elimina o exoesqueleto rígido encontrado nos robôs tradicionais. Em vez disso, robôs flexíveis utilizam materiais alternativos como silicones e designs que permitem alterar sua forma. Os principais benefícios dos robôs flexíveis são que eles suportam manipulação, podem atravessar ambientes complexos e proporcionam interação segura com humanos.

Avanços na Impressão 3D de Robôs Flexíveis com Circuitos Fluídicos

A demanda por robôs flexíveis levou a várias melhorias nos processos de fabricação. Avanços recentes em impressão 3D permitiram que engenheiros projetassem robôs flexíveis mais capazes em uma única execução. Os métodos de fabricação de robôs flexíveis mais avançados de hoje reduzem a complexidade desses robôs.

Para realizar essa tarefa, são usados circuitos pneumáticos que aproveitam respostas não lineares dos materiais. O uso de circuitos de controle fluídico permite que engenheiros fabriquem mais dispositivos em um único local. Notavelmente, os engenheiros deste projeto também foram fundamentais em outros trabalhos, incluindo a criação de uma garra robótica impressa em 3D e um rastreador com circuitos de controle embutidos.

Desafios na Impressão 3D e Montagem de Robôs Flexíveis

Ainda há muitos problemas enfrentando o setor de fabricação de robótica flexível. Por um lado, sistemas de moldagem por fundição permitem a criação de peças, mas controlar as unidades ainda requer componentes adicionais. Além disso, é caro, intensivo em mão de obra e não está prontamente disponível para a maioria das pessoas.

Em muitas situações, um sistema complexo de bombas, válvulas e outros eletrônicos deve ser conectado ao corpo em uma placa separada via fios para alcançar qualquer forma de locomoção controlada. A necessidade de ter o robô conectado elimina seus benefícios e limita suas capacidades, como navegar em espaços apertados ou ambientes complexos.

Novo Estudo Revela Robô Andante Totalmente Impresso em 3D, Sem Eletrônicos

O estudo “Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots,”¹ publicado na revista Advanced Intelligent Systems, destaca como engenheiros desenvolveram um robô de seis pernas totalmente impresso em 3D, sem eletrônicos, que pode caminhar imediatamente após a impressão. Ainda mais impressionante é o fato de que o dispositivo é alimentado exclusivamente por uma fonte constante de pressão de ar.

O estudo é revolucionário por vários motivos. Primeiro, explica em detalhes como os engenheiros conseguem superar os desafios de imprimir em 3D uma válvula fechada. No relatório, a equipe consegue, com sucesso, a locomoção do robô direto da impressora, utilizando oscilações simétricas por meio de válvulas de atraso de fase acionadas a ar.

Como Impressoras 3D de Mesa Permitem Robôs Flexíveis Totalmente Funcionais

Notavelmente, os engenheiros usaram uma impressora 3D de mesa comercialmente disponível e pronta para uso para criar componentes flexíveis com geometrias complexas que exigem pouca mão de obra humana. Os engenheiros pesquisaram vários materiais. Eles chegaram a fazer parceria com a corporação BASF por meio de sua Aliança de Pesquisa da Califórnia (CARA) para testar quais materiais funcionavam melhor na criação da estrutura, músculos artificiais e do sistema de controle do robô de seis pernas da equipe.

Fonte UC San Diego

Um Robô Andante Impresso em 3D que Funciona Direto da Impressora

O robô andante que a equipe imprimiu é capaz de caminhar por conta própria sem quaisquer componentes eletrônicos. Em vez disso, ele depende de ar comprimido e de uma rede de válvulas que abrem e fecham com base nas mudanças de pressão para mover suas seis pernas. Notavelmente, a criação da equipe pode atravessar terrenos irregulares, sem estar amarrada, usando apenas um cartucho de gás comprimido como fonte de energia.

Pernas do Robô

Um dos aspectos únicos do robô pronto para uso é o design de suas pernas. As seis pernas foram impressas usando filamento de impressão 3D comercialmente disponível. Cada perna integra atuadores pneumáticos antagonistas, macios e imprimíveis. Essa configuração fornece a cada perna quatro graus de movimento. Cada perna pode mover-se para cima, para baixo, para frente e para trás.

Para criar uma ação de caminhada, as pernas precisam estar conectadas a alguma forma de ar ou fluido pressurizado. Sob pressão constante, um conjunto de pernas se dobrará para baixo, elevando o corpo e ajudando o robô a superar terrenos irregulares. Ao mesmo tempo, outro conjunto de pernas se elevará ligeiramente. A partir daí, o conjunto final de pernas se dobra para baixo e para trás, criando uma ação de empurrão para a frente. Isso faz com que as pernas dianteiras se dobrem para baixo, completando um ciclo de passo.

Atuadores Flexíveis

Notavelmente, o dispositivo pode realizar essa tarefa graças à integração de circuitos fluídicos embutidos no corpo do robô. Imprimir esses dispositivos foi mais difícil do que se poderia imaginar. Os engenheiros tiveram que dedicar considerável esforço para determinar o melhor método de impressão desses componentes herméticos, como atuadores, válvulas e sensores.

Circuito Oscilatório Pneumático

No núcleo deste design de robô flexível de próxima geração está um circuito oscilador fluídico imprimível. Esse circuito gera quatro sinais de pressão de saída cíclicos, que são essenciais. De forma impressionante, os engenheiros o criaram para realizar essa tarefa usando apenas uma única entrada de pressão.

Eles determinaram que uma válvula oscilatória biestável de quatro fases, monolítica e imprimível em 3D, era a melhor solução. Sua válvula oscilatória de construção personalizada integra seis estados em um ciclo de operação. Para realizar essa tarefa, ela utiliza os movimentos mecânicos das membranas internas e dos canais da válvula para manipular limites, criando mudanças de estado devido a variações graduais de pressão.

Cada válvula direciona o fluxo de ar para a próxima etapa do processo quando os limites de pressão são atingidos. Curiosamente, ao serem questionados sobre como a equipe desenvolveu esse conceito, eles responderam que o design foi inspirado nas primeiras locomotivas a vapor.

Quão Durável é um Robô Impresso em 3D? Resultados dos Testes Revelados

A fase de testes de laboratório do robô flexível começou com um processo de monitoramento ao ar livre. Nesta etapa, o robô foi levantado e a pressão de ar foi aplicada. A equipe então anotou as ações exatas que o robô realizou e como elas afetariam o movimento se o robô estivesse no chão. Após registrar os movimentos das pernas no ar, a equipe pôde ajustar o design para criar um padrão de caminhada distinto.

O próximo teste foi observar como o robô funcionava apenas com pressão de ar. A equipe testou a operação sem eletrônicos do robô usando um cartucho de CO2 de 16 g com um regulador mecânico ajustado para 20 psi. Eles observaram que podiam obter aproximadamente 80 segundos de operação com essa configuração.

Teste de Vida Útil

Em seguida, a durabilidade foi testada por meio de ciclos de vida. A equipe concentrou-se em testar uma única válvula para obter o máximo de detalhes. Como parte do teste, pressão constante foi aplicada e seus efeitos registrados. Eles observaram que a válvula oscilatória funcionou por 19.809 ciclos antes de falhar completamente.

Resultados dos Testes de Robôs Impressos em 3D

O teste de laboratório revelou alguns resultados impressionantes. Por exemplo, o robô criado pela equipe pôde percorrer uma ampla variedade de terrenos. O robô atravessou com sucesso grama, areia e diversos outros terrenos difíceis, incluindo ambientes subaquáticos.

Curiosamente, o robô caminhou 85 cm em 21 segundos a 4 cm por segundo durante seus testes em superfícies lisas. O teste revelou que a ação de elevação das pernas na primeira sequência do passo ajudou o robô a obter elevação suficiente para percorrer ambientes irregulares.

O teste de durabilidade mostra que os dispositivos podem funcionar sem interrupção por três dias consecutivos. Além disso, a equipe descobriu que o principal ponto fraco do design são as quatro membranas da válvula oscilatória. Essa descoberta não foi uma grande surpresa, pois são esses componentes que suportam a maior pressão de ar, força repetida e deflexão dentro do sistema.

Benefícios da Impressão 3D de Robôs Flexíveis sem Eletrônicos

Existem vários benefícios que o estudo sobre robôs impressos em 3D oferece. Primeiro, esses dispositivos podem ser impressos usando uma solução 3D de mesa comum. Essa abordagem significa que essas unidades são facilmente acessíveis ao usuário ou empresa média. Elas estão prontas logo após a impressão e não requerem interação humana ou limpeza pós-impressão para operar.

Por que Robôs Impressos em 3D sem Eletrônicos São um Divisor de Águas

Definitivamente, um dos aspectos mais interessantes do projeto é a decisão de eliminar a necessidade de eletrônicos. A capacidade desses robôs de operar sem eletrônicos significa que eles são a solução óbvia para ambientes que não são compatíveis com eletrônicos.

Estudos científicos no espaço, ou em áreas de alta radiação ou campos magnéticos, são um exemplo clássico de onde esses dispositivos seriam úteis. Além disso, ambientes subaquáticos sempre foram problemáticos para eletrônicos tradicionais devido às restrições de alta pressão.

Robótica de Baixo Custo: Como a Impressão 3D Está Tornando os Robôs Mais Baratos

Este estudo abre caminho para a impressão de robôs de custo extremamente baixo. O dispositivo que a equipe de engenheiros criou custa cerca de US$ 20. Embora possa apenas caminhar, designs futuros podem ajudar a realizar tarefas essenciais sem aumentar sua conta de eletricidade ou custos de fabricação.

Robôs Impressos em 3D: Aplicações Reais e Quando Esperá‑los

Existem várias aplicações para robôs sem eletrônicos. Esses dispositivos poderiam ser enviados para realizar vigilância importante em áreas hostis ou perigosas. A vantagem dessa abordagem é que uma impressora poderia ser deixada no local e os robôs criados no próprio local. Essa estratégia facilitaria o transporte.

Os dados contidos no estudo sobre robôs flexíveis podem levar ao rápido implante de unidades de baixo custo e resilientes em ambientes onde eletrônicos tradicionais falham, como áreas com forte radiação, zonas de desastre ou até mesmo outros planetas. Dada a simplicidade e acessibilidade do design, aplicações práticas podem surgir nos próximos 3 a 5 anos.

Conheça a Equipe por Trás do Robô Impresso em 3D sem Eletrônicos

O estudo sobre o robô impresso em 3D foi realizado na Universidade da Califórnia, San Diego. Os autores principais incluem Yichen Zhai, Jiayao Yan e Michael T. Tolley. O artigo também lista Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta e a Aliança de Pesquisa da Califórnia da BASF como colaboradores. Além disso, o estudo foi parcialmente financiado pela National Science Foundation.

Notavelmente, essa equipe tem sido fundamental no desenvolvimento da tecnologia de robótica flexível. O grupo introduziu uma pinça robótica sem eletrônicos em 2022. Essa experiência os ajudou a criar a próxima geração de dispositivos sem eletrônicos. Agora, seu objetivo é encontrar maneiras de mover o armazenamento de gás comprimido internamente e pesquisar materiais mais biodegradáveis.

Principais Empresas que Avançam a Impressão 3D e a Robótica Flexível

O uso de robôs em residências e empresas está em ascensão. Como consequência, há forte demanda para dominar esse mercado. Notavelmente, os mercados de robótica e impressão 3D contam com muitos players importantes. Essas empresas investiram bilhões em P&D para criar dispositivos de próxima geração funcionais.  Aqui está uma empresa que continua a inovar e entregar.

3D Systems Corporation

A 3D Systems Corporation (DDD ) entrou no mercado em 1986 e está sediada na Califórnia. Seu objetivo inicial era oferecer serviços de impressão 3D de próxima geração para clientes comerciais. Como pioneira em impressão 3D, a empresa foi fundamental na prototipagem e em outros componentes críticos para os mercados aeroespacial, automotivo, de saúde, entretenimento e industrial.

Hoje, a 3D Systems está na vanguarda do avanço das tecnologias de manufatura aditiva, incluindo aplicações em robótica. A empresa possui mais de 1.925 funcionários e reportou US$ 488 milhões em receita em 2023. Além disso, a empresa firmou uma parceria estratégica com a Daimler Buses para fornecer impressoras 3D locais que podem criar peças de reposição.

Novidades sobre a 3D Systems Corp.

Robôs Impressos em 3D

Esses avanços representam mais um passo à frente na evolução da robótica flexível. Ao eliminar a necessidade de eletrônicos e permitir funcionalidade total direto de uma impressora 3D de mesa, esta pesquisa abre caminho para máquinas acessíveis, resilientes e implantáveis em ambientes onde robôs tradicionais falham.  À medida que o desenvolvimento avança, as aplicações potenciais — desde ajuda humanitária a exploração espacial — são vastas e inspiradoras. Um forte reconhecimento a esses engenheiros por seu trabalho árduo e esforços que podem mudar o rumo da indústria de robótica no futuro.

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Estudos Referenciados:

^{1. Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolithic desktop digital fabrication of autonomous walking robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876}