Usando Molas para Reduzir o Consumo de Energia na Robótica

Um empreendimento de pesquisa financiado pela National Science Foundation na semana passada traz algumas ideias sobre como as molas poderiam tornar os motores mais eficientes no futuro. O estudo foi apresentado por dois engenheiros mecânicos, Erez Krimsky e Steven H. Collins. Em seu relatório, eles detalham os benefícios de um motor híbrido de mola antes de revelar um protótipo funcional.  Aqui está o que você precisa saber.

Por que as Molas Podem Ser a Resposta

As molas podem parecer uma solução improvável para o desgaste dos motores ou para a necessidade de consumo massivo de energia. No entanto, algumas características únicas tornam as molas idealmente adequadas para essa tarefa. Primeiro, elas podem produzir torque sem exigir energia.

As molas podem armazenar energia elástica, quando esticadas, com quase nenhuma perda. Essa energia elástica pode ser convertida diretamente em força mecânica de forma eficiente. Além disso, as molas podem ser ajustadas ou usadas em conjunto para aumentar ou diminuir o torque quando necessário.

Desafios a Superar

Houve algumas mentes intuitivas no passado que reconheceram o potencial das molas para armazenar e converter energia. Contudo, alguns desafios distintos precisaram ser superados para que esses projetos passados tivessem sucesso. Primeiro, as molas são notoriamente difíceis de controlar.

Sim, se você puxar uma mola ela voltará. O problema é fazer uma mola que volte à mesma velocidade durante milhares ou milhões de usos. Assim, uma das primeiras coisas que os engenheiros precisaram descobrir foi como controlar as molas que queriam integrar.

Novo Design de Mola

Após alguma deliberação, eles decidiram que um novo design era necessário. Criaram um conjunto totalmente novo de molas leves ativadas por energia elástica para o projeto. Essas molas são feitas de um material elástico que é esticado ao longo da estrutura tensionada. Quando uma corrente elétrica é aplicada, a mola puxa de volta e aperta. Essa estratégia permitiu que os desenvolvedores empilhassem quatro molas lado a lado.

O uso de múltiplas molas adiciona torque adicional e opções de controle ao motor. Os usuários podem engatar uma ou várias molas quando as exigências de energia aumentam. Essa abordagem permitiu que criassem uma versão pequena do motor, que poderia ser usada em aplicações comerciais e robóticas no futuro.

O Protótipo – Atuador de Reciclagem

O protótipo oficial do motor atuador elástico paralelo já está nas fases de teste. Esse motor diminuto integra quatro molas eletrostáticas que operam em paralelo. Essa estrutura também permite que o motor aproveite as molas para reduzir a carga de trabalho, adicionar potência e reduzir o desgaste mecânico.

Resultados dos Testes Mostram Promessa

O relatório mostrou alguns resultados de teste impressionantes do protótipo. Os desenvolvedores submeteram o atuador a múltiplos casos de teste cíclico para tentar medir os efeitos das molas no dispositivo. Ficou claro desde o início que as molas melhoraram a eficiência consideravelmente.

O que é ainda mais interessante é que os desenvolvedores descobriram que as molas atuavam como uma caixa de engrenagens em um motor, permitindo mudar de marcha para obter mais torque. Ao contrário das caixas de engrenagens tradicionais que exigem embreagens mecânicas para alterar o torque, esse arranjo integra perfeitamente embreagens elétricas que são ativadas quando necessário.

Embreagens Eletro-adesivas

O uso de pares de embreagens eletro-adesivas para manter as molas travadas com tensão foi uma grande inovação. Essas embreagens foram feitas para serem o mais finas possível, a fim de reduzir o peso. Elas são revestidas com dielétrico e podem passar sem atrito quando não carregadas. Notavelmente, as embreagens travam no lugar quando a voltagem é aplicada a elas.

Esse estilo de embreagem elétrica requer energia mínima e fornece resposta quase instantânea. Além disso, elas oferecem alta eficiência comparada às opções mecânicas e podem ser produzidas a baixo custo. Esses fatores significam que seu uso em motores de mola eletrostática pode se tornar a norma.

Benefícios que os Motores de Mola Trazem ao Mercado

Existem muitos benefícios que esse estilo de motor traz ao mercado. Primeiro, ele melhora a eficiência em um grande setor do mercado. Esses dispositivos são construídos para serem energeticamente eficientes e sustentáveis. Além disso, seu design leve requer muito menos energia para transporte ou operação.

Reduzir o Desgaste do Motor

Outra grande vantagem desse estilo de motor é que ele reduz o desgaste. Os motores atuais são responsáveis por lidar com todos os aspectos de seus movimentos mecânicos. Isso significa que um motor que estampa um item em uma linha de montagem usa sua energia para estampar e levantar o selo após a ação.

Imagine o mesmo robô, mas desta vez, ele só precisa pressionar para baixo. As molas então se engatam e levantam a placa novamente. Esse estilo de integração de mola poderia reduzir significativamente o desgaste do motor ao eliminar metade de seu ciclo operacional. Também reduz o desgaste térmico. Motores quentes funcionam com menos eficiência e são mais propensos a falhas.

Em teoria, motores alimentados por molas poderiam durar duas vezes mais que seus equivalentes totalmente mecânicos. Eles exigiriam menos energia para operar e seriam mais fáceis de enviar ou operar em movimento. Esses fatores continuam a levar mais pesquisadores a aprofundar-se no setor.

Versatilidade

O motor de mola dos pesquisadores provou ser versátil. O arranjo mecânico permite que cada mola seja engatada e desengatada individualmente quando necessário. Essa estrutura também fornece controle fino e elimina perdas de energia.

À medida que a robótica se expande, há uma demanda contínua por unidades que possuam habilidades motoras finas. Surpreendentemente, é mais fácil encontrar um robô que possa levantar um carro do que um que consiga pegar um ovo sem quebrá-lo. Motores atuadores de mola podem ser o elo faltante nessa busca, pois permitem que engenheiros apliquem pressão fina exata quando necessário sem adicionar peso.

Maior Eficiência Energética

O uso de molas para reduzir o ciclo operacional dos motores faz sentido e os dados comprovam isso. O relatório dos pesquisadores mostra que seu motor reduziu o consumo de energia em 50% em média. O estudo revelou que, dependendo da tarefa, a economia de energia pode chegar a até 97%. Assim, há muito hype em torno de como esses motores um dia permitirão que dispositivos percorram distâncias maiores e operem por mais tempo do que nunca.

Armazenar Energia de Forma Eficiente

Outro grande benefício é a capacidade dos engenheiros de integrar a recuperação de energia elástica para alimentar baterias. As molas podem ser usadas como uma bateria mecânica ou em conjunto com formas tradicionais de baterias para melhorar a eficiência de armazenamento e conversão. O uso de embreagens de baixa potência pelos engenheiros é um exemplo de como essa tecnologia poderia alimentar as baterias do futuro.

Impactos no Mercado

Esse desenvolvimento mais recente tem o potencial de revolucionar uma variedade de mercados que dependem ou estão crescendo em dependência de robôs. Motores de mola poderiam ajudar a criar sistemas robóticos de baixa energia que poderiam lidar com longos dias de trabalho sem recarga.

A revolução tecnológica já está aqui e robôs cotidianos assumem cada vez mais tarefas diárias dos humanos. À medida que esses dispositivos se tornam conscientes de seu entorno, adicionam capacidades e aprendem a se comunicar fluentemente com humanos, a demanda por motores de baixa potência aumentará exponencialmente.

Fabricação

Os setores de manufatura e industrial buscam robôs de baixa energia há décadas. Grandes empresas já investiram bilhões em sua infraestrutura robótica. Esses primeiros robôs lhes economizaram bilhões, mas exigiam muita energia e manutenção devido ao seu design.

A próxima geração de robôs custará menos para operar, será mais inteligente e exigirá menos manutenção. Esses dispositivos já estão entrando no mercado aproveitando sistemas avançados de IA. No futuro, motores de mola podem ajudar os fabricantes a reduzir seus custos à metade enquanto melhoram a qualidade de seus produtos.

Saúde

Quando se pensa em robótica, a saúde pode não ser a primeira indústria que vem à mente. A integração de robótica na área da saúde vem acontecendo há décadas e esse desenvolvimento mais recente pode acelerar ainda mais o processo. A natureza leve e durável dos motores de mola pode, um dia, tornar próteses ou exoesqueletos mais acessíveis.

Robôs já estão ajudando pessoas com deficiências a desfrutar de vidas mais satisfatórias. Tornar esses dispositivos mais leves e eficientes abre a porta para que mais pessoas recebam auxílio. Notavelmente, já existem diversos projetos interessantes de saúde em andamento que combinam robôs e cuidados médicos para melhorar vidas.

IA pode ser a Chave

O uso de molas eletrostáticas para aliviar a carga de trabalho dos motores é um grande passo rumo à criação de robôs verdadeiramente sustentáveis. O outro lado dessa equação é determinar os limites e capacidades dos materiais usados nesses dispositivos. A IA tem se mostrado uma ferramenta inestimável nessa jornada.

Ela ajudou a desenvolver e configurar novos designs, testar cenários virtualmente e programar algoritmos de aprendizado profundo. Juntos, esses desenvolvimentos ajudaram a tornar a robótica de IA a próxima fronteira.

Mercado de Robótica em Movimento

Basta um vislumbre para perceber que o setor de robótica é um dos mercados mais quentes da tecnologia. Desde grandes empresas que buscam implementar esses dispositivos para reduzir custos operacionais até startups que empurram os limites da tecnologia, há muitos projetos que valem a pena acompanhar. Aqui estão algumas empresas de robótica para ficar de olho.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) foi lançada em 1988 e tem operações na Suíça. A divisão de robótica da empresa tem sido pioneira no mercado por décadas. Robôs ABB podem ser encontrados em todo o mundo. O fabricante produziu e enviou mais de 500 mil unidades até hoje.

ABB é um dos fabricantes de melhor desempenho globalmente. A empresa emprega mais de 11 mil especialistas e tem operações em mais de 53 países. Hoje, continuam sendo uma força pioneira que oferece uma vasta gama de soluções robóticas para parceiros industriais.

2. KUKA

KUKA é um fabricante alemão de robótica que foi adquirido pelo grupo chinês Midea em 2016. A empresa oferece soluções robóticas inteligentes que incluem automação completa e opções de controle centralizado. KUKA continua sendo uma força motriz para a inovação e oferece soluções que vão desde robôs simples até sistemas completos.

KUKA emprega mais de 14 mil especialistas em robótica e realiza vendas superiores a 3,2 bilhões de dólares anualmente. Seu compromisso com a qualidade e a inovação ajudou o fabricante a se tornar um dos nomes mais reconhecidos no mercado de robótica. Espere ver crescimento desse grupo à medida que expande suas operações para atender à demanda dos consumidores.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics é um grande ator nos setores de defesa e exploração espacial. Impressionantemente, o grupo trabalhou com a NASA em inúmeras ocasiões no passado. Além disso, atualmente colabora com pesquisadores para criar sistemas de mineração robóticos que podem operar em ambientes de baixa gravidade e mais.

Os sistemas de escavação inteligentes da HoneyBee já estão em uso internacionalmente. Esses produtos facilitam a perfuração e testes de amostras em tempo real em áreas extensas. A empresa também fabrica robôs de defesa projetados para ajudar soldados em campo.

Startups Quebrando Barreiras

Grande parte dos desenvolvimentos no setor robótico vem do número crescente de startups que entram no mercado. Essas empresas querem levar a experiência robótica a novos patamares por meio de suas estratégias criativas e modelos de negócios.

OutRider

Cortar a grama em um dia quente de verão pode parecer tortura, especialmente se você tem um quintal que requer manutenção constante para ficar aceitável. OutRider resolve esse problema com a introdução de robôs de paisagismo inteligentes.

Esses dispositivos criam uma estrutura de site em tempo real, permitindo que realizem manobras complexas. Eles podem até se unir para concluir grandes trabalhos mais rapidamente. Aqueles que gastam milhares mantendo suas propriedades ou negócios enormes encontrarão sentido nessas soluções de paisagismo robótico de alta eficiência.

Robôs Entram em Ação

É interessante ver que o conceito de usar molas ressurgiu como uma das melhores maneiras de impulsionar a robótica. Esses sistemas encapsulam o espírito da engenharia e podem tornar a vida mais fácil para milhões. Por essas razões, você deve parabenizar esses pesquisadores e todos que caminham ao lado deles para tornar os robôs de baixa potência uma realidade.