Cadeia robótica activa da Universidade de Amesterdão muda de tarefa sem computador

A maioria dos robôs capazes de alternar entre tarefas precisa de instruções explícitas para o fazer. O modo de andar, o modo de rastejar e o modo de escavar são, regra geral, programados e activados por código. Nada muda de função por si só.

Físicos em Amesterdão construíram um sistema que foge a essa lógica: um material activo formado por uma cadeia de hastes motorizadas interligadas, sem qualquer computador a bordo.

Esta cadeia robótica consegue deslocar-se a rastejar sobre uma superfície, caminhar na vertical ou enterrar-se em material solto - e alterna entre estes comportamentos apenas em função da forma como é segurada.

Construir o material activo

A cadeia robótica activa foi desenvolvida no Laboratório de Materiais de Máquinas da Universidade de Amesterdão (UvA), em colaboração com investigadores da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) e de outras instituições.

Os co-primeiros autores, Sami Al-Izzi - investigador de pós-doutoramento na UNSW - e Yao Du - doutorando na UvA - construíram a cadeia e conduziram em conjunto as experiências.

Cada elo da cadeia activa é um pequeno motor ligado por fios aos segmentos vizinhos. Quando um segmento se flecte, o seguinte reage de forma assimétrica: um empurrão para a direita produz um resultado diferente de um empurrão para a esquerda.

Essa assimetria - a que os físicos chamam acoplamento não recíproco - é o elemento decisivo. Ela quebra uma restrição que, em materiais comuns, dita como as forças se propagam ao longo de uma viga. Ao comprimir a cadeia pelas extremidades, em vez de ficar imóvel, o sistema começa a oscilar.

A flambagem transforma-se em movimento

Se apertarmos um bilhete de papel entre dois dedos, ele verga e, de seguida, “salta” para um dos lados. Esse fenómeno chama-se flambagem. Num material passivo, isto acontece uma vez e o objecto fica nessa posição - tal como uma régua plana ou uma viga metálica depois de ultrapassar o seu limite.

Com a cadeia activa, o resultado muda por completo. Sob a mesma compressão, ela não estabiliza: salta para um lado, regressa, e volta a fazê-lo, numa oscilação regular.

Enquanto os motores tiverem alimentação, o movimento mantém-se. O “estalar” propaga-se ao longo da cadeia em impulsos - e apenas num sentido, determinado pela forma como os motores estão ligados.

“Os resultados surpreendentes foram que as cadeias construídas desta forma continuavam a mostrar flambagem e estalos quando forças externas eram aplicadas, mas não apenas um único episódio de flambagem e estalo”, disse Al-Izzi.

Dentro de um ponto crítico

A flambagem convencional ocorre num ponto crítico - o limiar exacto a partir do qual uma viga perde estabilidade e “escolhe” um lado.

Trabalhos anteriores já cartografaram esse limiar em sistemas muito diversos, desde plantas carnívoras até comutadores microelectrónicos.

Um artigo de referência mostrou que a dioneia apanhamoscas (Venus flytrap) utiliza o mesmo tipo de instabilidade mecânica para fechar as folhas em cerca de um décimo de segundo.

A cadeia de Amesterdão, porém, ultrapassa um limiar diferente: o que os físicos designam por ponto excepcional crítico - mais estranho do que a flambagem habitual.

Duas formas distintas de dobrar tornam-se instáveis ao mesmo tempo. Em vez de assentar numa única configuração, essas instabilidades passam a alimentar-se mutuamente, alternando continuamente.

Esse ciclo é a origem do movimento persistente. Se alguém der um pequeno toque na cadeia, ela regressa ao mesmo ritmo. Até agora, ninguém tinha demonstrado este caminho num objecto real e autónomo.

Três tarefas, um só corpo

A mesma cadeia activa rasteja numa mesa lisa, caminha quando se adicionam pequenos “pés” nas extremidades e escava ao entrar num monte de contas de plástico. Sem reprogramação. Sem novo código. A função resulta apenas da forma como o sistema é segurado.

“Em termos simples, isto significava que as cadeias agora podiam começar a rastejar, a andar e até a escavar”, disse Du.

Se a cadeia for perturbada a meio do ciclo, se a fricção por baixo mudar, ou se a superfície for trocada de vidro para uma base áspera, ela retoma o seu padrão de movimento. Em filamentos activos anteriores, era necessário um ajuste muito preciso para manter uma marcha específica.

Os físicos chamam a este comportamento um ciclo limite. A cadeia activa não se limita a tolerar perturbações - ela compensa-as e regressa sempre a um vaivém estável.

Movimento sem cérebro

Hoje, a maioria dos robôs moles inclui um controlador algures no corpo - um circuito integrado, um fio, ou mesmo uma ligação por cabo a um computador. Em ambientes de laboratório, essa abordagem funciona.

Funciona pior em espaços desorganizados e imprevisíveis onde os robôs moles poderiam ser realmente úteis, como edifícios colapsados, sistemas de canalização ou até o interior do corpo humano.

Uma cadeia que se desloca sem controlador representa um conceito de engenharia diferente. O movimento nasce da própria matéria activa: cada motor segue regras simples com os seus vizinhos imediatos, sem necessidade de comando central.

Outros trabalhos recentes do mesmo laboratório já tinham acompanhado este princípio em laços, folhas e grelhas hexagonais - todos a moverem-se sem “cérebro” nem comando central.

O que isto permite

O contributo deste artigo, que antes não existia, é o objecto físico: um sistema real e autónomo que mostra o ponto excepcional crítico em funcionamento. A teoria estava estabelecida. O objecto, não.

Com este resultado, a robótica mole ganha um bloco de construção que opera sem controlo centralizado, se adapta ao meio pela sua própria estrutura e resiste bem a perturbações.

Os engenheiros podem começar a incorporar a locomoção no próprio material, em vez de a acrescentarem com sensores e código.

Robôs que exploram escombros, percorrem tubagens ou se enterram em solos macios sem perderem função quando um controlador falha - é isso que este avanço torna possível.