Parece inofensivo, mas é exatamente essa a ideia. Do tamanho de um polegar, leve como um clipe de papel e capaz de saltar sobre escombros, gelo, inclinações e até drones, o novo robô do Instituto de Tecnologia de Massachusetts foi projetado para navegar por ambientes desafiadores — e pode, no futuro, transformar-se em um aliado decisivo em missões de reconhecimento tático, espionagem ou resgate em zonas de guerra. Mais do que um avanço na microrrobótica, a criação representa um salto — literal e estratégico — nas aplicações de inteligência artificial embarcada em campo.
Robôs do tamanho de insetos conseguem se espremer em lugares onde seus equivalentes maiores não conseguem, como no interior de um prédio que desabou para procurar sobreviventes após um terremoto. No entanto, ao se moverem pelos escombros, pequenos robôs rastejantes podem encontrar obstáculos altos que não conseguem escalar ou superfícies inclinadas pelas quais deslizam. Embora robôs aéreos possam evitar esses perigos, a quantidade de energia necessária para o voo limitaria severamente a distância que o robô pode percorrer nos destroços antes de precisar retornar à base e recarregar.
Para obter o melhor dos dois métodos de locomoção, pesquisadores do MIT desenvolveram um robô saltador que pode saltar sobre obstáculos altos e atravessar superfícies inclinadas ou irregulares, usando muito menos energia do que um robô aéreo. O robô saltitante tem uma perna elástica que o impulsiona do chão e quatro módulos de asas que lhe dão sustentação e controlam sua orientação.
O robô consegue saltar cerca de 20 centímetros no ar, ou quatro vezes a sua altura, a uma velocidade lateral de cerca de 30 centímetros por segundo, e não tem dificuldade em saltar sobre gelo, superfícies molhadas e solo irregular, ou mesmo sobre um drone pairando. Ao mesmo tempo, o robô saltador consome cerca de 60% menos energia do que seu primo voador. Devido ao seu peso leve e durabilidade, e à eficiência energética do processo de salto, o robô pode transportar cerca de 10 vezes mais carga útil do que um robô aéreo de tamanho similar, abrindo caminho para muitas novas aplicações.
“Ser capaz de colocar baterias, circuitos e sensores a bordo tornou-se muito mais viável com um robô saltador do que com um voador. Nossa esperança é que um dia esse robô possa sair do laboratório e ser útil em cenários do mundo real”, diz Yi-Hsuan (Nemo) Hsiao, estudante de pós-graduação do MIT e coautor principal de um artigo sobre o robô saltador. Hsiao é acompanhado no artigo pelos coautores principais Songnan Bai, professor assistente de pesquisa da Universidade de Hong Kong; e Zhongtao Guan, aluno de pós-graduação do MIT que concluiu este trabalho como aluno visitante de graduação; além de Suhan Kim e Zhijian Ren, do MIT; e pelos autores seniores Pakpong Chirarattananon, professor associado da Universidade da Cidade de Hong Kong; e Kevin Chen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT e chefe do Laboratório de Robótica Suave e Microscópica do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica. A pesquisa foi publicada hoje na Science Advances .
Maximizando a eficiência
Saltar é comum entre insetos, desde pulgas que saltam para novos hospedeiros até gafanhotos que pulam em um campo. Embora saltar seja menos comum entre robôs em escala de insetos, que geralmente voam ou rastejam, o ato de pular oferece muitas vantagens em termos de eficiência energética. Quando um robô salta, ele transforma energia potencial, proveniente da altura em relação ao solo, em energia cinética ao cair. Essa energia cinética se transforma novamente em energia potencial ao atingir o solo, depois em energia cinética ao subir, e assim por diante.
Para maximizar a eficiência desse processo, o robô do MIT é equipado com uma perna elástica feita de uma mola de compressão, semelhante à mola de uma caneta com tampa de clique. Essa mola converte a velocidade descendente do robô em velocidade ascendente quando ele atinge o solo. “Se você tiver uma mola ideal, seu robô pode simplesmente pular sem perder energia. Mas, como nossa mola não é exatamente ideal, usamos os módulos de batimento para compensar a pequena quantidade de energia que ela perde ao entrar em contato com o solo”, explica Hsiao.
À medida que o robô salta de volta ao ar, as asas batentes fornecem sustentação, garantindo que o robô permaneça em pé e na orientação correta para o próximo salto. Seus quatro mecanismos de asas batentes são acionados por atuadores macios, ou músculos artificiais, duráveis o suficiente para suportar impactos repetidos com o solo sem serem danificados. “Usamos o mesmo robô durante toda essa série de experimentos e nunca precisamos parar para consertá-lo”, acrescenta Hsiao.
A chave para o desempenho do robô é um mecanismo de controle rápido que determina como o robô deve ser orientado para o próximo salto. A detecção é realizada por meio de um sistema externo de rastreamento de movimento, e um algoritmo de observação calcula as informações de controle necessárias usando as medições do sensor. À medida que o robô salta, ele segue uma trajetória balística, arqueando-se no ar. No pico dessa trajetória, ele estima sua posição de pouso. Então, com base no ponto de pouso desejado, o controlador calcula a velocidade de decolagem desejada para o próximo salto. Enquanto estiver no ar, o robô bate as asas para ajustar sua orientação, de modo que atinja o solo com o ângulo e o eixo corretos para se mover na direção e na velocidade corretas.
Durabilidade e flexibilidade
Os pesquisadores testaram o robô saltador e seu mecanismo de controle em diversas superfícies, incluindo grama, gelo, vidro molhado e solo irregular — ele atravessou com sucesso todas as superfícies. O robô conseguiu até mesmo saltar sobre uma superfície com inclinação dinâmica. “O robô não se importa muito com o ângulo da superfície em que pousa. Contanto que não escorregue ao atingir o solo, estará tudo bem”, diz Hsiao.
Como o controlador pode lidar com vários terrenos, o robô pode facilmente transitar de uma superfície para outra sem perder o ritmo. Por exemplo, pular na grama exige mais impulso do que pular sobre vidro, já que as folhas de grama causam um efeito de amortecimento que reduz a altura do salto. O controlador pode bombear mais energia para as asas do robô durante sua fase aérea para compensar.
Devido ao seu pequeno tamanho e peso leve, o robô tem um momento de inércia ainda menor, o que o torna mais ágil do que um robô maior e mais capaz de resistir a colisões. Os pesquisadores demonstraram sua agilidade realizando giros acrobáticos. O robô leve como uma pena também conseguia saltar para um drone sem danificar nenhum dos dispositivos, o que poderia ser útil em tarefas colaborativas.
Além disso, embora a equipe tenha demonstrado um robô saltitante que carregava o dobro do seu peso, a carga útil máxima pode ser muito maior. Adicionar mais peso não prejudica a eficiência do robô. Em vez disso, a eficiência da mola é o fator mais significativo que limita a capacidade de carga do robô.
No futuro, os pesquisadores planejam aproveitar sua capacidade de transportar cargas pesadas instalando baterias, sensores e outros circuitos no robô, na esperança de permitir que ele salte autonomamente para fora do laboratório. “Robôs multimodais (aqueles que combinam múltiplas estratégias de movimento) são geralmente desafiadores e particularmente impressionantes em uma escala tão pequena. A versatilidade deste pequeno robô multimodal – girando, saltando em terrenos acidentados ou em movimento, e até mesmo outro robô – o torna ainda mais impressionante”, conclui Justin Yim, professor assistente da Universidade de Illinois em Urbana-Champagne.
