Braço robótico macio inspirado no polvo do IIT para operar debaixo de água

Um polvo consegue apanhar um caranguejo, forçar a abertura de uma concha ou enrolar um braço à volta de um objecto meio enterrado sem que isso pareça exigir qualquer reflexão consciente.

Essa destreza há muito que intriga a robótica, porque uma parte importante do “trabalho” acontece fora do cérebro central do animal.

Cada ventosa sente o que toca e responde quase de imediato, oferecendo ao braço uma forma de controlo local que os engenheiros têm tido dificuldade em reproduzir.

Agora, uma equipa de investigadores em Itália construiu um braço robótico macio que adopta essa estratégia do polvo, permitindo-lhe sentir, agarrar e adaptar-se debaixo de água com uma necessidade surpreendentemente baixa de supervisão central.

Ventosas que detectam o toque

Barbara Mazzolai dirige o laboratório Bioinspired Soft Robotics no Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), em Génova, Itália.

Depois de anos a estudar o polvo, Mazzolai e o seu grupo desenvolveram um braço robótico macio que replica uma das suas características mais marcantes.

Em cada ventosa de borracha está escondido um pequeno anel com luzes e detectores. Quando a ventosa é pressionada contra algo, o material flexível comprime-se, e essa deformação altera a quantidade de luz que se reflecte no interior.

A partir dessa variação luminosa, o braço infere quão forte é o contacto e para que lado aponta. Como os sensores estão dentro das ventosas, o acto de sentir e o acto de reagir acontecem no mesmo local.

Como os polvos orientam os robôs

Um polvo não encaminha todos os movimentos para um único cérebro central. Uma grande parte das suas células nervosas encontra-se nos braços, o que permite que cada braço sinta e actue com verdadeira autonomia.

Cerca de dois terços dessas células estão nos braços e não na cabeça. Um estudo sobre a forma como os polvos se deslocam concluiu que uma parte substancial do controlo é feita nos membros.

As ventosas acrescentam a sua própria “inteligência”. Repletas de terminações nervosas, seguram com firmeza e alimentam o braço com um fluxo constante de informação táctil.

Foi essa capacidade de percepção local que a equipa de Mazzolai procurou transpor para uma máquina.

Dar mais controlo aos braços

Os primeiros braços robóticos inspirados em polvos obrigavam a uma escolha difícil.

Ou se privilegiava uma mobilidade rica, ou se distribuía uma sensação de toque pelo corpo; juntar ambas as coisas sem tornar o sistema rígido e volumoso continuava fora de alcance.

Neste caso, o braço consegue as duas. Quando uma das ventosas entra em contacto com um objecto, essa ventosa prende-se sozinha numa fracção de segundo, antes de qualquer controlador central intervir. A decisão nasce no próprio membro.

Depois, uma camada superior coordena o conjunto do braço: compila a direcção de cada toque, determina como o objecto está colocado e escolhe se deve dobrar, torcer ou envolver o alvo.

Até este trabalho, nenhum braço inspirado no polvo tinha combinado a detecção e esse tipo de tomada de decisão num corpo tão fino e macio.

Construir um robô mais macio

O braço também “parece” um braço de polvo. Afunila desde uma base mais grossa até uma ponta mais delgada e mede cerca de 41 cm de comprimento.

Ao longo de um dos lados existem dez ventosas, que diminuem gradualmente: de aproximadamente 2,0 cm perto da base para cerca de 1,3 cm na extremidade.

Três cabos internos, accionados por motores na base, permitem que o braço dobre e torça em qualquer direcção.

O corpo é moldado em silicone elástico, suficientemente maleável para se ajustar a uma superfície irregular e, ao mesmo tempo, robusto o bastante para operar debaixo de água.

“Percepção e acção estão integradas e distribuídas por todo o corpo”, disse Mazzolai sobre o desenho.

Para a investigadora, o valor está numa máquina que sente e se movimenta através do próprio corpo, em vez de depender de uma única “caixa” de controlo.

Ler o toque debaixo de água

No laboratório, os sensores tácteis mostraram-se consistentes e com uma resolução surpreendente. Ao pressionar uma ventosa, o braço comunica a força aplicada.

Se o toque ocorrer de lado, o sistema consegue indicar a direcção de onde veio o empurrão com uma precisão de cerca de 18 graus - suficientemente próxima para orientar a acção.

O braço também consegue estimar peso. Num ensaio, fixou-se a um pequeno recipiente cheio de água e calculou a tracção em perto de 71 g, muito próximo do valor real de cerca de 85 g.

O desempenho foi praticamente igual em ambiente molhado e seco, e as medições mantiveram-se estáveis ao longo de centenas de pressões.

Outras equipas já desenvolveram braços inspirados em polvos para agarrar objectos subaquáticos, como mostra um artigo relacionado, mas muitos desses sistemas dependiam de componentes volumosos ou de computadores externos.

Agarrar debaixo de água em acção

Com todos os elementos a trabalhar em conjunto, o braço é capaz de procurar objectos de forma autónoma. Submerso num tanque, varre a água lentamente até que uma ventosa roça em algo; depois pára, interpreta o contacto e aproxima-se para segurar.

Nos testes, agarrou vários objectos comuns em contexto subaquático, incluindo uma garrafa de vidro, uma haste estreita e uma estrela-do-mar falsa. Em cada tentativa, avaliou a orientação do objecto e seleccionou um tipo de pega adequado.

O que mantém a operação fluida é o fecho local em milésimos de tempo.

A ventosa fixa-se no instante em que toca, estabilizando o objecto; só depois o braço decide dobrar ou torcer. Chega mesmo a conseguir agarrar algo enquanto já está em movimento.

Aplicações futuras para robôs

Fora do laboratório, um braço suave guiado pelo toque pode executar tarefas que facilmente danificariam objectos delicados se fossem feitas com pinças rígidas.

Os investigadores apontam potenciais utilizações em trabalho subaquático sensível, como recolher vida marinha frágil, e na inspecção de equipamento em espaços apertados e perigosos.

O resultado mais amplo é demonstrar que um braço robótico macio inspirado no polvo consegue sentir e agir através do próprio corpo, sem um computador central a dirigir cada movimento.

Com este desenho distribuído, torna-se possível acrescentar mais ventosas - ou até mais braços - sem sobrecarregar um único sistema de controlo.

Por agora, o braço limita-se a agarrar objectos simples e leves e consegue transportar pouco mais de 450 g. É um começo modesto.

A equipa pretende alargar esse intervalo e levantar cargas mais pesadas, avançando para robôs capazes de trabalhar sozinhos em locais desordenados e de difícil acesso, onde as máquinas rígidas têm dificuldade.

Crédito da imagem: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia