Capítulo 1 : Robótica de inspiração biológica

Existe uma subclasse de design bio-inspirado que é conhecido como locomoção robótica bio-inspirada. Trata-se de obter conhecimento de fenômenos naturais e colocar esse conhecimento para uso no projeto de sistemas de engenharia que são usados no mundo real. Num sentido mais particular, esta disciplina preocupa-se com a criação de robôs que são modelados a partir de sistemas biológicos, incluindo aplicações biomiméticas. "Biomimética" refere-se ao processo de reprodução de fenômenos naturais, enquanto "design bio-inspirado" refere-se ao processo de aprender com a natureza e desenvolver um mecanismo que é mais simples e eficiente do que o sistema que é observado na natureza. Um subcampo distinto da robótica conhecido como robótica suave surgiu como resultado do uso da biomimética. Para fins particulares, os sistemas biológicos foram otimizados de acordo com o ambiente em que se encontram. No entanto, eles são construídos para executar várias funções e não se destinam a ser usados para uma única função específica. O estudo de sistemas biológicos e a procura de processos que possam potencialmente resolver um problema no domínio da engenharia são os dois principais focos dos investigadores em robótica de inspiração biológica. Depois disso, o designer deve fazer um esforço para simplificar e melhorar esse mecanismo, a fim de melhor se adequar à tarefa específica de interesse. Os pesquisadores que estão interessados em robótica bio-inspirada normalmente têm interesse em biossensores (como o olho), bioatuadores (como músculo) ou biomateriais (como seda de aranha). A grande maioria dos robôs está equipada com algum tipo de sistema de locomoção. O objetivo deste artigo é introduzir vários tipos de locomoção animal, bem como alguns exemplos de robôs bio-inspirados que se correlacionam com esses modos, respectivamente.

De um modo geral, a biolocomoção, muitas vezes conhecida como movimento animal, pode ser classificada da seguinte forma:

Existem dois tipos de movimento que podem ocorrer numa superfície: a locomoção terrestre e a locomoção arborícola. Na próxima seção, falaremos especificamente sobre o movimento terrestre e entraremos em muito mais detalhes sobre ele.

Nadar e voar são exemplos de locomoção que podem ocorrer em uma linha sanguínea ou meio de cultura celular. Os roboticistas inventaram e construíram um grande número de robôs capazes de nadar e voar. Enquanto alguns deles fazem uso de motores em miniatura ou atuadores MEMS padrão (incluindo piezoelétricos, térmicos, magnéticos e assim por diante), outros fazem uso de células musculares animais como motores.

Quer tenham pernas ou não, há um grande número de animais e insetos que se movem em terra. Escalada e salto são dois dos temas que serão abordados nesta parte, juntamente com o movimento com pernas e sem membros. É essencial para o processo de mobilidade em terra que os pés estejam ancorados. Para se mover sem escorregar em superfícies como rochas lisas e gelo, é essencial ter a capacidade de aumentar a tração. Esta capacidade é especialmente vital quando se desloca para cima. Há uma variedade de sistemas biológicos que são responsáveis por fornecer a compra. As garras dependem de mecanismos baseados no atrito, os pés de lagartixa dependem das forças da parede de van der e certos pés de insetos dependem de forças adesivas mediadas por fluidos.

De acordo com os requisitos da tarefa em questão, os robôs com pernas podem ter uma, duas, quatro, seis ou até mais de uma perna. Dentro do reino da robótica bio-inspirada, as variedades de movimento de pernas que são consideradas as mais populares incluem locomoção bípede, quadrúpede e hexapedal. Tanto o Cheetah como o Rhex, um robô hexapedal fiável, são agora os dois robôs capazes de funcionar mais rapidamente. Um outro robô hexapedal que foi construído na Universidade de Stanford chama-se iSprawl. Seu design foi influenciado pela estratégia de mobilidade das baratas. A velocidade máxima que este robô é capaz de atingir é de 2,3 metros por segundo, e pode correr até 15 comprimentos de corpo por segundo. Um único motor elétrico é usado para locomoção na iteração mais recente deste robô, em contraste com a forma de propulsão pneumática do robô que foi desenvolvido pela primeira vez.

A maioria dos animais e robôs biomiméticos frequentemente enfrentam dificuldades quando confrontados com terrenos que apresentam topografia em uma variedade de escalas de comprimento. O terreno é facilmente atravessado por espécies sem membros, como cobras, que são capazes de se mover através dele. Vários tipos diferentes de animais e insetos, como vermes, caracóis, lagartas e cobras, são capazes de se movimentar sem usar apenas os membros. Hirose et al., dão uma visão geral dos robôs que se assemelham a cobras em sua apresentação. Robôs com pisos ativos, robôs com rodas passivas e robôs ondulantes que utilizam ondas verticais ou expansões lineares são os diferentes tipos de robôs que podem ser classificados nesta categoria. As rodas, que são usadas pela maioria dos robôs semelhantes a serpentes, têm um alto nível de atrito quando se movem de um lado para o outro, mas um baixo nível de atrito ao rolar para a frente (e podem ser impedidas de rolar para a direção oposta). É difícil para robôs semelhantes a cobras escalar verticalmente porque a maior parte deles usa ondulação retilínea ou lateral como seu modo de locomoção. Mais recentemente, Choset construiu um robô modular que é capaz de imitar uma série de diferentes marchas de cobras; no entanto, é incapaz de realizar movimento de concertina. Scalybot é o nome dado a dois robôs que se assemelham a cobras que foram recentemente construídos por pesquisadores da Georgia Tech. O papel que as escamas ventrais de serpentes desempenham na alteração das características de atrito em diferentes direções é o foco principal destes robôs no que diz respeito ao seu design. Estes robôs são capazes de exercer controlo ativo sobre as suas escalas, o que lhes permite ajustar as suas qualidades de atrito e viajar de forma eficiente através de muitas superfícies diferentes. Pesquisadores da Universidade Carnegie Mellon produziram robôs semelhantes a cobras que são dimensionados e atuados convencionalmente.

A escalada é uma atividade excepcionalmente desafiadora, uma vez que os passos errados do escalador podem fazer com que ele perca o controle e caia. Isso torna a escalada uma tarefa especialmente difícil. Uma única funcionalidade que pode ser encontrada em homólogos biológicos tem sido a base para a maioria dos robôs que foram construídos. As forças de Van der Waals, que são comumente utilizadas por lagartixas, só são eficazes em superfícies lisas. Com a ajuda das lagartixas como fonte de inspiração, pesquisadores da Universidade de Stanford fabricaram com sucesso a propriedade pegajosa que as lagartixas possuem. Milhões de microfibras foram posicionadas e fixadas a uma mola de forma análoga à seta encontrada na perna de uma lagartixa. Em condições normais, a ponta da microfibra será afiada e pontiaguda; No entanto, quando a microfibra é ativada, o movimento de uma mola vai gerar um stress que faz com que as microfibras se dobrem e aumentem a área de contacto que têm com a superfície de uma parede ou vidro. Os cientistas que trabalham para a NASA criaram garras de lagartixa, que incorporam a mesma tecnologia, mas são usadas para uma variedade de tarefas diferentes no espaço. Usando adesivos secos direcionados, os Stickybots são mais eficazes quando aplicados em superfícies lisas. Entre os robôs semelhantes a insetos que fazem uso de espinhos em vez de outras peças, os robôs Spinybot e RiSE são exemplos. Existem algumas restrições que se aplicam aos robôs de escalada com pernas. Devido à sua falta de flexibilidade e ao facto de necessitarem de um enorme espaço para se deslocarem, são incapazes de ultrapassar obstáculos significativos. Na maioria das vezes, eles são incapazes de escalar superfícies lisas e ásperas, nem são capazes de lidar com transições da vertical para a horizontal.

Existem muitos tipos diferentes de seres vivos, e um dos trabalhos que eles frequentemente realizam é o salto. Entre as criaturas que são capazes de saltar mais alto estão a lebre, o canguru, o gafanhoto, o gafanhoto e o bharal. Usando o gafanhoto como fonte de inspiração, a EPFL desenvolveu um pequeno robô saltador de 7g que é capaz de saltar até 138 centímetros. O processo de liberação da tensão de uma mola é o que faz com que o evento de salto ocorra. "TAUB" (Universidade de Tel-Aviv e Braude College of engineering) é o nome do robô em miniatura que tem a maior capacidade de salto. É inspirado no gafanhoto e pesa 23 gramas. Seu salto mais alto é de trezentos e sessenta centímetros. Molas de torção são utilizadas como um meio de armazenamento de energia, e um mecanismo de fio e trava projetado para comprimir e liberar as molas é incorporado ao projeto. Foi afirmado que a ETH Zurich desenvolveu um robô de salto suave que é alimentado pela combustão de gás e metano. O volume da câmara é significativamente aumentado como resultado da expansão do gás térmico que ocorre dentro da câmara de combustão suave. Isso faz com que o robô de dois quilos salte até uma altura de vinte centímetros. O robô macio, que foi modelado a partir de um brinquedo roly-poly, irá então reposicionar-se numa posição vertical assim que conseguir aterrar.

Ao nadar, determinou-se que certos peixes são capazes de atingir uma eficiência de propulsão superior a 90%. Além disso, eles são capazes de acelerar e manobrar...