Cientistas e engenheiros há muito se interessam em criar máquinas que se movam e interajam como os humanos. Um desafio fundamental nesta busca é o desenvolvimento de atuadores ou componentes de suporte de movimento que possam replicar as características 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 rígidas, permitindo que sua rigidez seja ajustada conforme necessário para atender a uma variedade de desafios. Esta visão está agora mais próxima da realidade, dando aos robôs o potencial para trabalhar de forma mais harmoniosa com os humanos e o seu ambiente.
Algo notável surgiu na robótica, oferecendo uma nova maneira de replicar a função muscular humana. O professor Ning Xi, da Universidade de Hong Kong, e sua equipe desenvolveram um atuador de corda torcida em gel de endurecimento por cisalhamento. A sua investigação, publicada na conceituada revista Scientific Reports, demonstra um músculo artificial que pode ajustar dinamicamente a sua rigidez para satisfazer diferentes necessidades, marcando um grande avanço na robótica biomimética.
O atuador incorpora um mecanismo de corda torcida que converte o movimento rotacional em movimento linear e apresenta um gel de endurecimento por cisalhamento especialmente formulado que endurece quando submetido a forças rápidas. Esta combinação permite ao sistema ajustar a sua rigidez e elasticidade com base na velocidade de torção. Em velocidades mais altas, o gel passa de um estado macio para um estado rígido, o que aumenta significativamente a sua capacidade de transmitir força. Por exemplo, a elasticidade do atuador é aproximadamente três vezes maior em velocidades de torção mais altas em comparação com velocidades mais baixas. Esta flexibilidade permite que estes sistemas imitem a ampla gama de rigidez exibida pelos músculos humanos, permitindo uma interação homem-máquina segura e eficiente.
A fisiologia humana informou o design, especificamente a capacidade do corpo de regular a rigidez muscular para completar tarefas que vão desde levantar objetos pesados até realizar movimentos sutis. “Ao integrar um gel de endurecimento por cisalhamento, pretendemos criar atuadores que não apenas reproduzam a regulação natural da rigidez dos músculos, mas também forneçam soluções práticas para a robótica vestível”, explicou o professor Xi. Seu design exclusivo combina fibras Kevlar e Dyneema de alta resistência, materiais conhecidos por sua excepcional durabilidade e leveza, revestidas com o gel, resultando em um sistema leve, flexível e capaz de gerar força considerável.
Testes minuciosos mostraram que a elasticidade do atuador aumentou significativamente na velocidade de torção máxima em comparação com velocidades mais baixas. Esta capacidade de ajustar dinamicamente a rigidez destaca o seu potencial para aplicações em próteses, exoesqueletos e dispositivos de reabilitação. As próteses referem-se a dispositivos artificiais que substituem partes faltantes do corpo, enquanto os 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, proporcionando benefícios específicos a indivíduos com mobilidade limitada ou fraqueza muscular relacionada com a idade.
As descobertas destacam a adaptabilidade e eficiência dos atuadores. Ao ajustar a velocidade de torção, o sistema atinge diferentes níveis de rigidez e elasticidade, assemelhando-se muito ao comportamento mecânico dos músculos humanos. Além disso, observou-se que em velocidades de torção mais elevadas, a capacidade de gerar força, ou a capacidade de gerar movimento e suporte sob pressão, aumenta significativamente, tornando esta tecnologia uma solução promissora para tarefas que exigem força e precisão.
As descobertas do professor Xi e colegas destacam o potencial dos atuadores para revolucionar a robótica vestível e a tecnologia assistiva. O professor Xi observou: “Este desenvolvimento preenche a lacuna entre os sistemas artificiais e a inspiração biológica, proporcionando um futuro onde robôs e humanos possam trabalhar juntos sem problemas”. Seu design compacto e versatilidade o tornam adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo membros robóticos, robôs auxiliares vestíveis e dispositivos de reabilitação.
Ao fundir a ciência avançada dos materiais, que estuda as propriedades e aplicações dos materiais, com a engenharia biomimética, que se inspira na natureza para resolver os desafios humanos, esta inovação estabelece as bases para uma nova era da robótica alinhada com as capacidades humanas. À medida que a tecnologia se desenvolve, promete mudar vidas, especialmente para aqueles que necessitam de maior mobilidade ou assistência física.
Referência do diário
Zhang Q., Xue Y., Zhao Y., Zou K., Yuan W., Tian Y., Chen J., Chen J., Xi N. “Corda torcida em gel de endurecimento por cisalhamento para atuadores de robôs biomiméticos.” Relatórios Científicos, 2024, 14(4710). Número digital: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55405-x
Sobre o autor
Professor Xi Ning Obteve um Ph.D. 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 Chefe 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, Professor John D. Ryder 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 também atuou como presidente do Comitê de Nanotecnologia do IEEE (2010-2011) e presidente da IEEE Robotics and Automation Society (2018). Seus interesses de pesquisa incluem robótica, inteligência artificial, automação de manufatura, manufatura micro-nano, nanobiotecnologia, sensores, controle inteligente e sistemas.
