A busca por criar máquinas que se movam e interajam como os humanos há muito fascina cientistas e engenheiros. Um grande desafio neste esforço é desenvolver atuadores, ou componentes que permitam o movimento, que imitem as propriedades fisiológicas dos músculos humanos, como a rigidez variável. Os projetos tradicionais muitas vezes não têm a capacidade de adaptar a sua rigidez a diferentes tarefas, limitando o seu desempenho e segurança. Imagine um novo tipo de atuador que combina perfeitamente propriedades macias e firmes, ajustando sua rigidez conforme necessário para enfrentar uma variedade de desafios. Esta visão está agora mais próxima da realidade, trazendo a capacidade dos robôs de trabalharem de forma mais harmoniosa com os humanos e o seu ambiente.
Algo notável surgiu na robótica, oferecendo uma nova maneira de imitar a ação dos músculos humanos. O professor Ning Ji, da Universidade de Hong Kong, e sua equipe desenvolveram um atuador de corda torcida com gel rígido em tesoura. Seu trabalho, publicado na respeitada revista Scientific Reports, demonstra um músculo artificial que ajusta dinamicamente sua rigidez para atender a diversas demandas, marcando um avanço significativo na robótica de inspiração biológica.
O atuador incorpora um mecanismo de corda torcida que converte o movimento rotacional em movimento linear, um gel de reforço de cisalhamento especialmente formulado que endurece quando submetido a força rápida. Esta combinação permite ao sistema ajustar a sua rigidez e elasticidade com base na velocidade de torção. Em altas velocidades, o gel muda de um estado macio para um estado duro, o que aumenta significativamente a sua capacidade de transmitir forças. Por exemplo, a elasticidade do atuador aumentou aproximadamente três vezes em altas velocidades de torque em comparação com baixas velocidades. Esta flexibilidade permite que estes sistemas imitem a ampla gama de rigidez exibida pelos músculos humanos, permitindo interações seguras e eficientes entre humanos e robôs.
O design inspirado na fisiologia humana, particularmente a capacidade do corpo de ajustar a rigidez muscular para tarefas que vão desde levantar objetos pesados até realizar ações delicadas. “Ao integrar o gel de rigidez ao cisalhamento, pretendemos criar atuadores que imitem a modulação natural da rigidez dos músculos, mas também forneçam uma solução prática para a robótica vestível”, explicou o professor Ji. Seu design exclusivo combina fibras Kevlar e Dyneema de alta resistência, materiais conhecidos por sua durabilidade e leveza excepcionais, com um revestimento de gel, resultando em sistemas leves, flexíveis e capazes de gerar energia considerável.
Testes minuciosos mostraram um aumento significativo em sua elasticidade na velocidade máxima de torque em comparação com a baixa velocidade. Esta capacidade de ajustar dinamicamente a rigidez destaca o seu potencial para aplicações em próteses, exoesqueletos e dispositivos de reabilitação. Próteses referem-se a dispositivos artificiais que substituem partes faltantes do corpo, enquanto exoesqueletos são sistemas robóticos vestíveis projetados para melhorar a mobilidade e a força humanas. Tais sistemas podem apoiar eficazmente os músculos humanos, compensando a perda de movimento, oferecendo benefícios específicos a indivíduos com problemas de mobilidade ou fraqueza muscular relacionada com a idade.
Os resultados da pesquisa enfatizam a adaptabilidade e eficiência do atuador. Ao ajustar a velocidade do torque, o sistema alcançou níveis variáveis de rigidez e elasticidade, que se assemelhavam ao comportamento mecânico dos músculos humanos. Além disso, a capacidade de gerar força, ou movimento e suporte sob pressão, é significativamente melhorada em altas velocidades de torque, tornando esta tecnologia uma solução promissora para tarefas que exigem força e precisão.
As descobertas do estudo do professor Xi e de seu colega ressaltam o potencial do atuador para revolucionar a robótica vestível e as tecnologias assistivas. “Este desenvolvimento preenche a lacuna entre os sistemas artificiais e a inspiração biológica, proporcionando um futuro onde robôs e humanos possam colaborar perfeitamente”, observou o professor Ji. Seu design compacto e versatilidade o tornam ideal para uma variedade de aplicações, incluindo membros robóticos, robôs auxiliares vestíveis e dispositivos de reabilitação.
Através da fusão da ciência dos materiais avançados, que estuda as propriedades e aplicações dos materiais, e da engenharia bioinspirada, que extrai ideias da natureza para resolver os desafios humanos, esta inovação prepara o terreno para uma nova era da robótica combinada com as capacidades humanas. À medida que a tecnologia evolui, ela promete mudar vidas, especialmente para aqueles que necessitam de mobilidade avançada ou assistência física.
Nota de diário
Zhang Q., Xue Y., Zhao Y., Zou K., Yuan W., Tian Y., Chen J., Chen J., Xi N. “Corda roscada habilitada para gel de reforço de cisalhamento para atuadores de robôs de inspiração biológica.” Relatórios Científicos, 2024, 14(4710). DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55405-x
Sobre o autor
Professor NingG Recebeu D.Sc. formou-se em ciência de sistemas e matemática pela Universidade de Washington em St. Louis, Missouri, EUA, em dezembro de 1993. Atualmente é Professor Catedrático de Robótica e Automação, Diretor do Instituto de Tecnologia Avançada e Presidente do Departamento de Engenharia de Dados e Sistemas da Universidade de Hong Kong. Antes de ingressar na Universidade de Hong Kong, foi Professor Distinto da Universidade, John D. Ryder foi professor de engenharia elétrica e de computação e diretor do Laboratório de Robótica e Automação da Universidade Estadual de Michigan, EUA. O Professor Xi é membro do IEEE. Ele atuou como presidente do IEEE Nanotechnology Council (2010-2011) e presidente da IEEE Robotics and Automation Society (2018). Seus interesses de pesquisa incluem robótica, inteligência artificial, automação de manufatura, micro/nano manufatura, nanobiotecnologia, sensores e sistemas e controle inteligentes.
