Nos últimos anos, devido ao avanço da ciência dos materiais, os resultados de pesquisas relacionadas a robôs macios têm sido notáveis ​​nos últimos anos. Comparado com robôs rígidos tradicionais, o design de robôs macios é inspirado em sistemas biológicos na natureza, como vermes, polvos, lagartixas e sapos. espere. Essas criaturas utilizam materiais macios e elásticos para demonstrar locomoção notável em ambientes complexos. No entanto, em aplicações práticas, robôs macios dependem de energia externa ou força motriz e são conectados por meio de amarras físicas, resultando em uma gama limitada de atividades. Além disso, o peso de atuadores macios tradicionais, como atuadores de rede pneumática (pneu-nets), também se tornou um fator-chave que restringe a operação irrestrita de robôs macios.

Para resolver esse problema, o atuador macio FiBa (balão de filme) desenvolvido pela equipe do Professor MICHINAO HASHIMOTO e colaboradores da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD) trouxe novos avanços para o campo de robôs macios.

Em 17 de julho de 2024, os resultados da pesquisa foram publicados na revista Science Robotics sob o título "Rastejar, escalar, empoleirar e voar por robôs macios da FiBa'.

O atuador macio FiBa é projetado com silicone Dragon Skin 30 e filme de polímero com curvatura lateral

O atuador macio FiBa adota um design estrutural exclusivo que combina um balão pneumático impresso em 3D com um filme de polímero com curvatura lateral. A vantagem desse design é que ele pode efetivamente reduzir o peso do atuador, mantendo suas características multifuncionais, alcançando assim uma operação sem amarras.

Comparados com materiais tradicionais de borracha de silicone, os atuadores FiBa usam silicone Dragon Skin 30, que tem um módulo elástico mais alto (cerca de 593 kPa), o que pode fornecer capacidades de condução mais fortes sem adicionar muito peso. O alto módulo elástico significa que, sob o mesmo volume, o silicone Dragon Skin 30 pode gerar maior pressão interna, aumentando assim os efeitos de flexão e condução do atuador.

Outro componente-chave do atuador FiBa é um filme de polímero com curvatura lateral. Este material de filme não é apenas leve, mas também tem boa flexibilidade e plasticidade. Ao introduzir o design de curvatura lateral, a rigidez local do filme é aprimorada, permitindo a curvatura direcional quando inflado e retornando rapidamente à sua forma original após a deflação. Os pesquisadores disseram que, ao projetar a curvatura lateral, as propriedades de curvatura do filme de polímero são significativamente melhoradas, melhorando assim o desempenho geral e a confiabilidade do atuador.

Vale mencionar que os materiais de filme plano tradicionais são propensos a torções e dobras irregulares quando submetidos a forças externas. Ao introduzir o design de curvatura lateral, as características de dobra do filme são direcionalmente aprimoradas. Quando o balão é inflado, o filme se dobra ao longo da direção de curvatura predefinida, gerando assim uma força motriz estável. Essa característica de dobra direcional não apenas melhora a precisão do controle do atuador, mas também estende sua vida útil.

O design de curvatura lateral também ajuda a melhorar a confiabilidade estrutural e a durabilidade do atuador. Durante o processo de deflação, o filme pode retornar rapidamente à sua forma original, evitando degradação de desempenho e danos estruturais causados ​​por deformação de longo prazo. Além disso, ao otimizar os parâmetros de curvatura e a espessura do filme, o ângulo de curvatura e a força motriz do atuador podem ser ajustados ainda mais para atender às necessidades de diferentes cenários de aplicação.

Em termos de design, o atuador FiBa adota uma abordagem de design modular, incluindo o módulo de flexão FiBa e o módulo de viga de rigidez variável FiBa. Por meio do design modular, os pesquisadores podem prototipar rapidamente o atuador e executar otimização iterativa. Diferentes módulos podem ser combinados em atuadores de vários formatos e funções para atender às necessidades de diferentes cenários de aplicação. Essa capacidade de prototipagem rápida não apenas acelera o ciclo de desenvolvimento do produto, mas também reduz os riscos de custo.

A estrutura modular do atuador FiBa também é altamente personalizável. Ao ajustar o número, arranjo e parâmetros de tamanho dos módulos, os pesquisadores podem personalizar o atuador para se adaptar a diferentes ambientes e tarefas. Por exemplo, em um robô de escalada, a capacidade de escalada e a estabilidade do robô podem ser melhoradas aumentando o número e o layout dos módulos de preensão e módulos de flexão.

Para atingir uma operação irrestrita, o atuador FiBa também integra componentes eletrônicos, como bombas pneumáticas, válvulas, baterias e placas de controle. Ao selecionar componentes eletrônicos, os pesquisadores se concentram em sua leveza e alta eficiência. Por exemplo, o uso de microbombas pneumáticas e válvulas pode reduzir o peso geral do sistema, e o uso de baterias de alto desempenho e placas de controle pode melhorar a eficiência energética e a estabilidade do sistema. Componentes eletrônicos leves permitem que o atuador FiBa opere de forma estável por um longo tempo em um ambiente irrestrito.

Em termos de integração, os pesquisadores reduzem a interferência de sinal e a perda de energia otimizando o layout e a conexão de componentes eletrônicos e melhoram a confiabilidade e a segurança do sistema adicionando funções redundantes de design e diagnóstico de falhas.

▍Discussão sobre quatro formas de robôs macios FiBa e cenários de pouso

Para verificar o desempenho e a versatilidade dos atuadores FiBa, a equipe de pesquisa demonstrou com sucesso quatro modos de movimento biônico irrestrito, a saber: rastejar inspirado por tartarugas, escalar inspirado por lagartas, empoleirar-se inspirado por morcegos e voar inspirado por joaninhas.

O robô rastejante inspirado em tartarugas usa quatro módulos de flexão FiBa como "barbatanas" para simular os membros dianteiros da tartaruga para impulsionar o robô para frente, simulando o movimento da tartaruga em terra. Esses módulos são combinados com balões pneumáticos impressos em 3D por meio de filmes de polímero curvados transversalmente para obter movimentos de flexão leves e eficientes. O robô também é equipado com um módulo atuador de elevação para ajustar a altura da fuselagem quando necessário para se adaptar a diferentes condições de terreno.

Em termos de cenários de aplicação, após desastres naturais como terremotos e tsunamis, geralmente há muitas brechas estreitas nas ruínas, que são difíceis para robôs rígidos tradicionais entrarem. No entanto, este robô rastejante pode facilmente passar por essas brechas, carregar equipamentos como detectores de vida, procurar pessoas presas e transmitir a situação no local para os socorristas em tempo real por meio de comunicação sem fio, melhorando muito a eficiência do resgate.

O robô escalador inspirado na lagarta usa o módulo de flexão FiBa e o módulo de preensão para atingir a escalada vertical simulando o movimento de rastejamento da lagarta. O módulo de preensão é firmemente enrolado em volta da superfície de escalada por meio de um balão de silicone inflado para fornecer suporte suficiente. Ao mesmo tempo, o módulo de flexão FiBa aciona o robô para se mover ao longo da superfície de escalada para atingir uma escalada estável.

No campo industrial, este robô de escalada pode ser usado para a inspeção e manutenção de tubulações verticais, pontes e paredes externas de edifícios altos. O robô é equipado com câmeras de alta definição, termovisores infravermelhos e outros equipamentos para conduzir inspeções detalhadas da superfície da estrutura, detectar prontamente potenciais riscos de segurança e reduzir os riscos e custos de inspeções manuais. Este robô de escalada também tem um bom desempenho na inspeção de infraestrutura, como linhas de energia e torres de comunicação. Ele pode subir rapidamente ao longo de postes de serviços públicos ou torres de comunicação para inspecionar isoladores de linha, conectores de corpo de torre, etc., melhorando a eficiência e a precisão da inspeção.

O robô de empoleiramento inspirado em morcegos usa módulos FiBa para construir uma pinça leve de quatro dedos que simula a maneira como os morcegos se empoleiram de cabeça para baixo em galhos. A estrutura pneumática dentro da pinça gera uma forte força de preensão após a inflação, permitindo que o robô se empoleire de forma estável em suportes como galhos e postes.

Em termos de aplicação, instalar este robô empoleirado em um drone pode estender significativamente o tempo de voo do drone. Durante a missão, o drone pode empoleirar-se em um suporte para economizar energia e decolar novamente quando a missão continuar, reduzindo assim os custos de energia e expandindo o campo de aplicação. Em operações de campo, como exploração geológica e pesquisas florestais, o robô empoleirado pode ser usado como uma plataforma de suporte temporária. Após completar a missão, o drone pode empoleirar-se nas proximidades para carregar ou aguardar por mais instruções, melhorando a eficiência operacional e a segurança.

O robô voador inspirado em joaninha usa módulos de viga de rigidez variável FiBa como os principais componentes estruturais da asa. Esses módulos geram rigidez e resistência suficientes para suportar o voo quando inflados e podem ser facilmente dobrados e enrolados no estado não inflado para fácil transporte e armazenamento. O robô também é equipado com um dispositivo de impulso e um sistema de controle para obter voo autônomo e ajuste de atitude. Em situações de emergência, como desastres naturais, este robô voador pode responder com rapidez e precisão, entregando suprimentos urgentemente necessários, como alimentos e medicamentos, para a área do desastre. Seu design de asa dobrável permite que o robô ocupe um pequeno espaço durante o transporte, facilitando a implantação em larga escala; enquanto a capacidade de voo autônomo garante a precisão e pontualidade da entrega do material. No campo do monitoramento ambiental, o robô voador pode transportar uma variedade de sensores e equipamentos para conduzir monitoramento abrangente e coleta de dados de qualidade do ar, qualidade da água, etc. Sua capacidade de voo flexível e amplo alcance de monitoramento permitem que o robô cubra rapidamente grandes áreas e forneça suporte de dados preciso. Além disso, ele também pode ser usado no campo agrícola para monitoramento de pragas e doenças e avaliação do status de crescimento da cultura.

▍Conclusão e o futuro

O surgimento dos atuadores macios FiBa marca um grande avanço na tecnologia de robótica macia. Por meio da seleção de materiais leves e da aplicação de design modular, o atuador FiBa tem características leves e multifuncionais. Este design não apenas resolve o problema de peso dos robôs macios tradicionais, mas também tem uma generalização extremamente alta em cenários práticos. No futuro, os pesquisadores continuarão a otimizar o design e as soluções técnicas do atuador FiBa para melhorar seu desempenho e confiabilidade. Além disso, com o desenvolvimento de controle inteligente e tecnologia de navegação autônoma, espera-se que o robô macio FiBa tenha um desempenho mais inteligente no futuro.