Pesquisadores de tecnologia italianos desenvolveram recentemente um braço robótico macio inspirado em polvos. Ao integrar a detecção e o controle distribuídos na "ventosa", ele alcança capacidades de "pensamento" local e de agarramento autônomo semelhantes aos tentáculos do polvo. Ele foi projetado para ser usado na exploração de ambientes marinhos complexos e imprevisíveis.
Esta pesquisa foi liderada por uma equipe do Laboratório Biomimetic Soft Robotics do Instituto Italiano de Tecnologia (IIT). Eles inspiraram-se na estrutura do sistema nervoso do polvo: embora o polvo tenha apenas um cérebro central relativamente pequeno, cerca de 60% dos seus neurónios estão distribuídos entre os seus oito tentáculos. Cada braço pode processar informações no local e desencadear ações reflexas, como capturar uma presa de forma independente, sem esperar por instruções do cérebro. A equipa de investigação está a tentar replicar esta arquitectura distribuída num sistema robótico utilizando silicone e componentes electrónicos, para que a percepção e o movimento estejam intimamente integrados no próprio “corpo” flexível, em vez de depender de um único processador central.
O resultado é um braço robótico macio com cerca de 41 centímetros de comprimento e um diâmetro de base de cerca de 4 centímetros. Sua forma e estrutura são semelhantes aos tentáculos de um polvo. É equipado com 10 "ventosas" artificiais da base até a extremidade, e o tamanho vai diminuindo gradativamente. O sistema foi projetado para não depender de câmeras, computadores externos ou unidades de controle centralizadas, mas descentraliza toda a percepção central e capacidades primárias de tomada de decisão na ventosa. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Machine Intelligence, e o IIT também lançou materiais introdutórios para o público.
Cada ventosa artificial integra três diodos emissores de luz e três fototransistores para formar um sistema de detecção micro-óptica, que é usado para medir mudanças na luz refletida, o que equivale aos nódulos nervosos locais deste "pulso mecânico". Quando um objeto estranho entra em contato com a superfície da ventosa, o material de silicone se deforma e o caminho da luz refletida muda de acordo. O sistema determina se o contato ocorre, a força do contato e a direção de incidência, formando assim três dados principais de detecção. Os testes mostram que a sensibilidade da força do sistema é de cerca de 400 milivolts por Newton, e o erro de medição da força é de cerca de 0,1 Newton, o que é aproximadamente equivalente ao peso de vários clipes de papel; o erro máximo no reconhecimento de direção é inferior a 18 graus, e o erro médio é de cerca de 8 graus, o que está próximo do ângulo entre escalas adjacentes de um relógio.
Em termos de arquitetura de controle, este braço robótico suave utiliza dois níveis de controle: o primeiro nível é totalmente executado localmente - cada ventosa possui um circuito independente e acionará a adsorção imediatamente assim que o contato for detectado, sem esperar por instruções centrais; o segundo nível está em um nível superior e é responsável por receber dados carregados por todas as ventosas, analisando de forma abrangente a posição do alvo e as características de contato dentro de uma janela de tempo de cerca de 4 segundos, e decidindo a estratégia geral de preensão com base nisso, como deixar o braço robótico dobrar para cima ou para baixo, ou girar, e se necessário, cobrir as ações autônomas das ventosas locais. A equipe de pesquisa afirmou que esta solução de integração de detecção e processamento de sinal diretamente na ventosa permite que o braço robótico responda ao contato em tempo real e com precisão, sem controle centralizado, e tem boa escalabilidade e robustez, e pode operar em ambientes complexos, inclusive subaquáticos.
Todos os experimentos são atualmente conduzidos debaixo d'água. Durante o teste, este braço robótico foi capaz de detectar objetos como garrafas de vidro e copos durante o movimento, deu uma estimativa do peso do objeto agarrado em cerca de 72,5 gramas, e o peso real era de 85 gramas, e foi capaz de manipular alvos em diferentes ângulos, incluindo uma "estrela do mar" artificial. Em termos de capacidade de carga, o braço robótico pode levantar objetos de até cerca de 500 gramas, e seu desempenho de detecção permanece estável após 300 ciclos de uso repetido, apresentando boa durabilidade. Como cada ventosa envia apenas informações refinadas, como a direção do contato, para a parte de controle superior, em vez de dados brutos completos, os requisitos de largura de banda de todo o sistema são bastante reduzidos, de modo que pode ser facilmente expandido para mais ventosas ou até mesmo para vários pulsos de contato sem sacrificar significativamente a velocidade de resposta.
A equipe de pesquisa destacou que o design possui fortes características modulares, e o número e o layout das ventosas podem ser ajustados de forma flexível de acordo com as diferentes tarefas. Os possíveis cenários de aplicação incluem a inspeção de infraestruturas subaquáticas, como tubulações, cabos e plataformas submarinas, e a coleta de amostras biológicas em áreas estreitas ou complexas que os robôs rígidos não conseguem alcançar. Com a sua estrutura flexível e capacidades de tomada de decisão autónomas, espera-se que este braço robótico “semelhante a um polvo” forneça novos caminhos tecnológicos em campos como a exploração de águas profundas, engenharia oceânica e manutenção subaquática.
Os polvos têm sido uma importante fonte de inspiração para projetos biônicos no campo da robótica. Já em 2017, a empresa de automação alemã Festo demonstrou o OctopusGripper na Hannover Messe. Esta é uma pinça de silicone para toque no pulso acionada por ar comprimido. Ele usa duas fileiras de ventosas para envolver o alvo e completar o aperto quando é inflado, mas ainda depende muito do controle externo da pressão do ar e da manipulação manual. Nos últimos anos, pesquisadores da Universidade de Bristol, no Reino Unido, abordaram a situação de outra dimensão, não copiando mais o formato dos tentáculos, mas estudando o muco secretado pelo sugador de polvo. Eles desenvolveram um novo tipo de ventosa composta por uma estrutura macia de múltiplas camadas e um sistema de fluido biônico. Ele pode simular a maneira como o muco do polvo sela lacunas em superfícies curvas e ásperas, de modo a agarrar objetos irregulares, como pedras e madeira, que são difíceis de fixar firmemente nas ventosas tradicionais.
Dando um passo adiante, equipes de pesquisa da Universidade de Pequim, Universidade Nacional de Cingapura, Universidade de Zhejiang, Instituto de Tecnologia de Pequim e outras instituições projetaram em conjunto o sistema de preensão mecânica OUT-Robot para simular a estratégia de preensão dos cefalópodes, permitindo-lhe alternar rapidamente entre estados suaves e rígidos para classificar e agarrar objetos de diferentes formas, diferentes flexibilidades e diferentes pesos. Em comparação com essas tentativas anteriores, a maior característica do novo design do IIT é a “autonomia” – ele pode não apenas rastrear, mas também decidir como rastrear. Os pesquisadores também enfatizaram que a geometria dos objetos selecionados no experimento atual é relativamente simples. A próxima etapa inclui testes com formas e pesos mais complexos e diversos, e a tentativa de introduzir computação neuromórfica semelhante ao cérebro para tornar todo o sistema mais próximo dos circuitos neurais de polvos reais em termos de processamento de informações.