Há apenas dois anos, um pequeno raio robótico tornou-se o robô macio nadador mais rápido do mundo. Agora, um dos seus descendentes bateu esse recorde – e utiliza menos energia que o seu antecessor. O robô original de 22,8 mm de comprimento foi projetado pelo professor associado Yin Jie e colegas da Universidade Estadual da Carolina do Norte.
Possui duas asas de poliéster flexíveis em forma de raio que são, na verdade, as extremidades esquerda e direita de uma estrutura curva biestável. Biestabilidade refere-se à capacidade de uma estrutura tensionada permanecer em qualquer uma das duas posições sem exigir qualquer energia - os grampos são um bom exemplo de estrutura biestável.
A parte central da estrutura da asa biestável do peixe robótico está imprensada entre os atuadores pneumáticos de silicone macio superior e inferior. Quando o ar é injetado no atuador superior, o atuador flexiona para cima, puxando para cima a parte central da estrutura da asa de modo que ela “dobre” em uma posição que puxa ambas as asas para baixo. Quando o atuador superior é esvaziado e o atuador inferior é inflado, a estrutura se encaixa em direções opostas, permitindo que a asa aponte novamente para cima. O vídeo abaixo demonstra esse mecanismo.
Ao ativar os dois atuadores desta forma (através de uma bomba de ar externa), as asas podem bater rapidamente, resultando em uma velocidade média de natação de 3,74 comprimentos corporais por segundo. Segundo os cientistas, isso é cerca de quatro vezes mais rápido do que os robôs nadadores anteriores.
No novo robô Manta de 68 milímetros de comprimento, Yin e sua equipe eliminaram o design biestável e o atuador inferior. Agora, a estrutura flexível da asa é monoestável, o que significa que quando nenhuma energia é aplicada, ela sempre retornará à mesma posição – com o centro dobrado para baixo e as asas para cima.
Quando inflado, o atuador pneumático de topo único se curva para baixo e puxa para baixo o meio da estrutura da asa, fazendo com que a asa se dobre para baixo. No entanto, uma vez que a haste pode esvaziar, a força restauradora elástica da estrutura a retorna à sua posição padrão, puxando a asa para cima no processo.
Assim, enquanto o robô original gastava tempo e energia inflando/esvaziando alternadamente dois atuadores durante cada ciclo de bater as asas para cima e para baixo, o novo robô só precisa ativar um. Essa melhoria permite que o robô nade a uma velocidade média de até 6,8 comprimentos corporais por segundo, consumindo 1,6 vezes menos energia do que o robô original.
Além disso, o novo design permite que o robô se mova verticalmente através do corpo d'água, alterando sua velocidade de natação.
"Quando as barbatanas do robô estão estacionárias, a câmara de ar está vazia, o que reduzirá a flutuabilidade do robô. E quando o robô bate lentamente as barbatanas, as barbatanas permanecem estacionárias por mais tempo", disse Qin Haitao, estudante de doutorado e primeiro autor do estudo. “Em outras palavras, quanto mais rápido o robô bate as nadadeiras, mais tempo leva para a câmara de ar encher e maior será a flutuabilidade”.
Os cientistas estão agora a trabalhar numa forma de manobrar os robôs lateralmente, de olho em aplicações futuras, como a exploração oceânica e a observação da vida selvagem aquática. Você pode vê-lo em ação no vídeo abaixo.
Um artigo sobre a pesquisa foi publicado recentemente na revista Science Advances.