Atuadores Baseados em Músculo Podem Maximizar o Potencial das Soluções Robóticas

Um grupo de engenheiros inovadores do MIT acabou de criar atuadores baseados em músculo que podem revolucionar a robótica. As mentes criativas combinaram um atuador monodirecional especialmente projetado com células musculares cultivadas em laboratório. Essa estrutura permitiu que o dispositivo fosse leve e melhorasse o desempenho. Veja como este novo atuador baseado em músculo pode ajudar a alimentar robôs no futuro.

Bio Flexures Atuadores Baseados em Músculo

Um artigo publicado na revista Advanced Intelligent Systems explica como um novo tipo de bioflexura pode fornecer resultados repetíveis e confiáveis que são várias vezes mais eficientes que uma tentativa anterior. Para realizar essa tarefa, a equipe precisou reinventar o conceito de flexura.

Flexuras

Flexuras são elementos mecânicos flexíveis que podem atuar como atuadores. Um atuador é um dispositivo que pode converter alguma forma de energia em uma resposta controlável. Elas são encontradas na maioria dos robôs de alguma forma e melhorar esses dispositivos tem um efeito imediato. Alguns atuadores convertem calor, pressão, eletricidade e energia magnética.

Flexuras são dispositivos semelhantes a molas que utilizam uma estrutura rígida para atuar como atuadores. Elas são populares em robôs porque podem ser ajustadas para fornecer movimentos microprecisos. Esses atuadores são pequenos e leves, o que os torna ideais para essas tarefas.

Flexuras Biohíbridas

Os engenheiros do MIT usaram uma combinação de novos materiais e design para possibilitar melhor desempenho de sua criação. Por exemplo, criaram um design de flexura mais fino que funciona como um esqueleto. A flexura apresenta um pino conectado à camada base em cada canto. Também há pinos de base, came, móvel e de montagem.

Vários retângulos dentro de outros foram projetados para criar tensão muscular exata quando necessário. Os engenheiros então amarraram faixas musculares especificamente para proporcionar contrações precisas. A equipe realizou uma série de testes e capturou os dados. Notavelmente, os resultados foram surpreendentes, com o dispositivo superando todos os requisitos. Além disso, os dados podem ajudar a criar os primeiros padrões de fabricação na indústria de robôs flexíveis.

Testes

O relatório detalhou como os pesquisadores criaram um novo método de ajuste dinâmico contrátil muscular para melhorar o desempenho de seu atuador biohíbrido. Os testes começaram medindo a distância entre os postes. A partir daí, a flexura foi esticada e respondeu cinco vezes.

Esses testes independentes de frequência permitiram que os pesquisadores determinassem com precisão quando a fadiga muscular afetava o desempenho. Esse ajuste também lhes possibilitou obter a máxima resistência de suas criações e testar sob pressão suas capacidades. Os testes mais intensos mostraram resultados interessantes. Por exemplo, revelaram que intervalos mais altos desgastam as fibras musculares mais rapidamente.

Ajustabilidade

Os engenheiros alteraram a força da flexura modificando a espessura ou a distância entre as vigas que se conectam às bases. O layout foi projetado para otimizar o movimento natural do músculo e combiná-lo com a rigidez e o grau de movimento da flexura. Notavelmente, o novo flexor biohíbrido é o mais potente e preciso até agora.

Ele pode flexionar e esticar com precisão de nanômetros, tornando-o ideal para micro-robótica. Além disso, o aumento da amplitude de deslocamento oferece maior desempenho e confiabilidade. Esses fatores ajudaram a equipe de pesquisa a obter mais interesse em suas descobertas.

Tecidos Musculares Esqueléticos

A equipe do MIT pesquisou diferentes tipos de músculo antes de decidir sua opção final. O tecido muscular de camundongo foi escolhido devido à sua disponibilidade, baixo custo e capacidade de crescer em laboratório. A fibra muscular resultante foi confiável e ajudou a impulsionar o projeto rumo ao sucesso, segundo os pesquisadores.

Fibras Musculares vs Atuadores Sintéticos

Fibras musculares são excelentes em converter energia mecânica e elétrica em ações controláveis. Por isso, faz sentido que engenheiros de robótica busquem duplicar esses benefícios. Comparados aos atuadores tradicionais, os atuadores biohíbridos permitem movimentos ultra precisos. Eles oferecem uma combinação de força, eficiência e adaptabilidade que continua sendo tema de discussão.

Além disso, esses dispositivos consomem menos energia para operar, oferecem maior rastreabilidade das capacidades e podem ser muito menores. Os principais fatores que determinam a qualidade de um atuador são sua capacidade de fornecer resultados confiáveis, durabilidade, precisão e capacidade de força. Atuadores de fibra muscular continuam a mostrar potencial como a solução ideal para o mercado.

Robôs Biohíbridos

A ideia de robôs que utilizam material orgânico pode parecer saída de um thriller de ficção científica. No entanto, robôs biohíbridos já existem há mais de uma década. Essas máquinas combinam aspectos naturais, como fibras musculares, com funções robóticas para criar resultados impressionantes.

Já existem robôs que utilizam atuadores baseados em músculo para replicar tarefas humanas complexas, como nadar ou dançar. Esses “soft robots” aproveitam um esqueleto artificial para estrutura e estabilidade. Essa abordagem permite que os engenheiros criem movimentos mais articulados e precisos que podem corresponder à delicadeza de uma mão humana.

Tipos de Robôs Biohíbridos

Existem muitos tipos diferentes de robôs biohíbridos em uso hoje. Esses dispositivos são tão diversos quanto o mundo ao seu redor. No entanto, as três principais categorias são microrganismos, tecido e esquelético.

• Robôs microorgânicos são construídos dentro ou utilizam componentes de células para realizar tarefas. Eles são incrivelmente pequenos, o que os torna ideais para tarefas que exigem precisão excepcional. Assim, esses pequenos robôs poderiam, um dia, ajudar a curar ou realizar varreduras de saúde do ar que você respira.
• Bots baseados em tecido utilizam fibras musculares e outros tecidos cultivados em laboratório. Esses dispositivos podem ser revolucionários na área de próteses. Imagine um robô que ajude pessoas cegas a ver ou amputados a caminhar. Além disso, combinar tecido biológico com robótica reduz custos para tarefas repetitivas pequenas e permite máquinas autorreparáveis.
• Robôs baseados em esqueleto utilizam uma estrutura esquelética bio baseada que os torna ideais para duplicar certos movimentos naturais. Caminhar, pular e dançar são exemplos de movimentos naturais que robôs baseados em esqueleto continuam a dominar.

Desafios Enfrentados pelos Robôs Flexíveis

Um dos principais problemas que os engenheiros de robôs flexíveis enfrentam é a completa falta de ferramentas unificadas de design e modelagem. Essa falta de padronização fez a indústria se fragmentar em todas as direções, com muito esforço perdido ao repetir tarefas semelhantes. Além disso, a natureza imprevisível dos elementos biológicos adiciona outra variável que os engenheiros precisam lidar.

Problemas de Duplicação

Ao contrário de peças usinadas que podem ser garantidas como idênticas a cada vez, as células musculares cultivadas em laboratório podem se comportar de forma diferente. Por exemplo, sabe-se que o músculo contrairá se esticado, mas obter o mesmo resultado todas as vezes sem chegar à falha é o desafio.

Assim, é complicado criar componentes biológicos que ofereçam o mesmo desempenho. Curiosamente, os avanços na impressão 3D de tecidos podem abrir caminho para resolver essa questão no futuro.

Padrões

O sucesso desta iniciativa pode ajudar a estabelecer alguns padrões universais no setor de robótica biohíbrida. Atualmente, há muitos projetos diferentes, usando configurações distintas, para alcançar o mesmo objetivo. A inovação mais recente foi projetada para ser um atuador biomecânico universal.

Essa abordagem permite que engenheiros robóticos usem esses dispositivos sempre que necessário e reduzam o tempo de desenvolvimento. Além disso, esses componentes podem ser combinados com outras opções para suportar qualquer tipo de estrutura esquelética robótica. Esse modelo permite que engenheiros criem biohíbridos complexos que podem ser ajustados para desempenhar funções específicas.

Engenheiros do MIT

A equipe de engenheiros por trás desse esforço inclui Ritu Raman, Alex d’Arbeloff, Naomi Lynch, Tara Sheehan, Nicolas Castro, Laura Rosado, Brandon Rios e o professor de engenharia mecânica Martin Culpepper. Notavelmente, Culpepper é conhecido por suas iniciativas em mecanismos robóticos em miniatura.

É essa experiência e engenhosidade que permitiram à equipe testar uma variedade de atuadores antes de decidir a solução final. Eles descobriram que o dispositivo em estilo acordeão permitia que o tecido muscular se contraísse naturalmente, ao mesmo tempo que aumentava a força da mola.

Vantagens da Tecnologia Biohíbrida

Existem muitas razões pelas quais os engenheiros buscam combinar biologia e robótica. Essa fusão pode trazer potencial ilimitado ao mercado. Imagine robôs que ficam mais fortes à medida que trabalham ou que podem se curar e se adaptar quando necessário.

Percepção Sensorial

Robôs biohíbridos integram biologia ao nível celular, o que significa que esses dispositivos podem aproveitar material orgânico. A natureza está repleta de órgãos sensoriais incríveis que podem detectar desde direção até pulsos elétricos. Engenheiros desejam explorar esses sensores naturais para expandir as capacidades dos robôs.

Interface Cerebral

Outra área de foco para engenheiros biohíbridos é melhorar como as pessoas interagem com máquinas. Por exemplo, Elon Musk investiu recursos substanciais na interface Neural Link, que se conecta à rede neural do cérebro e interpreta comandos diretamente dos pensamentos.

Próteses de Próxima Geração

Muitas pessoas veem a saúde como o setor que mais pode se beneficiar da integração de robôs flexíveis. Imagine uma prótese feita de tecido muscular real, que a pessoa poderia usar para melhorar, e que replicaria as sensações associadas ao membro.

Sustentabilidade

Uma das maiores vantagens da tecnologia biohíbrida é a capacidade de criar robôs que se fundem perfeitamente com seus ambientes. Esses dispositivos poderiam, um dia, monitorar o meio ambiente e até ajudar a repará-lo. Por exemplo, imagine sensores que possam rastrear e reduzir os níveis de poluição.

Casos de Uso Futuro para Atuadores Baseados em Músculo

Existem muitos casos de uso futuro para este tipo de atuador baseado em músculo. Essas soluções leves poderiam ser usadas para alimentar uma nova geração de micro-robótica. A teoria provou melhorar a eficiência. Assim, da aviação à saúde, há muita atenção nas ações da equipe.

Robôs Ficam Mais Leves, Menores e Mais Precisos

Reduzir o consumo de energia e o peso faz sentido. Você obtém mais vida útil e potência de seus dispositivos. Consequentemente, mais engenheiros buscam opções energeticamente eficientes que possam ser facilmente adaptadas a vários cenários. O atuador biohíbrido funde biologia e robótica de forma harmoniosa para melhorar vidas, eficiência e capacidades. Por essas razões, o projeto vale a pena ser monitorado no futuro.

Você pode aprender mais sobre desenvolvimentos empolgantes em robótica aqui.