Braço robótico macio inspirado no polvo usa ventosas para sentir e agarrar debaixo de água

Um polvo consegue apanhar um caranguejo, forçar a abertura de uma concha ou enrolar um braço à volta de um objecto meio enterrado sem aparentar qualquer esforço consciente.

Há muito que esta destreza intriga a robótica, em parte porque grande parte do trabalho não é comandada directamente pelo cérebro central do animal.

Cada ventosa sente o que toca e responde quase de imediato, oferecendo ao braço um nível de controlo local que os engenheiros têm tido dificuldade em reproduzir.

Agora, investigadores em Itália desenvolveram um braço robótico macio que adopta essa estratégia do polvo, permitindo-lhe detectar, agarrar e adaptar-se debaixo de água com uma supervisão central surpreendentemente reduzida.

Ventosas que detectam o toque

Barbara Mazzolai dirige o laboratório Bioinspired Soft Robotics do Instituto Italiano de Tecnologia (IIT), em Génova, Itália.

Mazzolai tem dedicado anos ao estudo do polvo e, com a sua equipa, construiu um braço robótico macio que incorpora uma das suas características mais marcantes.

No interior de cada ventosa de borracha está um pequeno anel com luzes e detectores. Quando a ventosa encosta a um objecto, o material maleável comprime-se, e essa compressão altera a quantidade de luz que é reflectida no interior.

A partir dessa variação luminosa, o braço calcula quão forte foi o contacto e em que direcção foi exercido. Como os sensores estão alojados nas próprias ventosas, sentir e reagir acontecem no mesmo local.

Como os polvos orientam os robôs

Um polvo não canaliza cada movimento para um único cérebro central. Uma parte substancial das suas células nervosas está distribuída pelos braços, o que permite a cada membro detectar e agir com autonomia real.

Cerca de dois terços dessas células encontram-se nos braços e não na cabeça. Um estudo sobre a locomoção do polvo concluiu que grande parte do controlo ocorre nos próprios membros.

As ventosas acrescentam outra camada de “inteligência”. Repletas de terminações nervosas, agarram com firmeza e fornecem ao braço um fluxo contínuo de informação táctil.

A equipa de Mazzolai procurou transportar essa detecção local para uma máquina.

Dar mais controlo aos braços

Os braços robóticos inspirados no polvo, em gerações anteriores, obrigavam a uma escolha difícil.

Os engenheiros conseguiam obter movimentos ricos e flexíveis ou dotar o braço de sensibilidade tátil ao longo do corpo, mas juntar as duas capacidades sem tornar o sistema rígido e volumoso permanecia fora de alcance.

Este braço faz ambas as coisas. Quando uma das ventosas toca num objecto, a própria ventosa agarra por iniciativa própria em fracções de segundo, antes de qualquer controlador central intervir. A decisão começa no membro.

Num nível superior, o sistema coordena o conjunto do braço: reúne a direcção de cada contacto, determina como o objecto está orientado e decide se deve curvar, torcer ou envolver o alvo.

Até este trabalho, nenhum braço inspirado no polvo tinha reunido sensorização e esse tipo de tomada de decisão num corpo tão esguio e macio.

Construir um robô mais macio

O braço também tem a aparência certa. Afunila de uma base mais grossa para uma ponta mais fina e mede cerca de 40,6 cm de comprimento.

Dez ventosas alinham-se num dos lados, diminuindo de aproximadamente 2,0 cm perto da base para cerca de 1,3 cm na extremidade.

Três cabos internos, accionados por motores na base, fazem o braço flectir e torcer em qualquer direcção.

O corpo é moldado em silicone elástico: suficientemente macio para se adaptar a superfícies irregulares, mas robusto para utilização subaquática.

“Percepção e acção estão integradas e distribuídas por todo o corpo”, disse Mazzolai sobre o projecto.

Para a investigadora, o atractivo está numa máquina que sente e se move com o corpo inteiro, e não a partir de uma única “caixa” de controlo.

Ler o toque debaixo de água

Em laboratório, os sensores tácteis mostraram-se estáveis e com um nível de detalhe inesperado. Ao pressionar uma ventosa, o braço devolve a força aplicada.

Se o toque acontecer ligeiramente de lado, o sistema consegue indicar a direcção do empurrão com um erro de cerca de 18 graus - precisão suficiente para agir.

O braço também consegue estimar peso. Num teste, prendeu um pequeno recipiente cheio de água e calculou a tracção em perto de 71 g, muito próximo do valor real de cerca de 85 g.

O desempenho foi semelhante em condições secas e molhadas, e as medições mantiveram-se consistentes ao longo de centenas de pressões.

Outras equipas já construíram braços inspirados no polvo para agarrar debaixo de água, como mostra um artigo relacionado, mas muitos recorriam a componentes volumosos ou a computadores externos.

Agarrar debaixo de água, na prática

No conjunto, o braço consegue procurar objectos por si. Submerso num tanque, varre a água lentamente até uma ventosa roçar num alvo; depois pára, interpreta o contacto e aproxima-se.

Ao longo dos testes, agarrou vários objectos comuns em ambiente subaquático, incluindo uma garrafa de vidro, uma haste estreita e uma estrela-do-mar artificial. Em cada caso, avaliou a posição do objecto e escolheu uma pega adequada.

O que mantém a operação fluida é o agarre local quase instantâneo.

A ventosa fixa-se no exacto momento em que toca, estabilizando o objecto, e só depois o braço se compromete a flectir ou a torcer. É capaz até de agarrar algo enquanto já está em movimento.

Aplicações futuras para robôs

Fora do laboratório, um braço suave e guiado pelo toque poderá executar tarefas que facilmente danificariam objectos delicados com pinças rígidas.

Os investigadores apontam potenciais utilizações em trabalho subaquático sensível, como a recolha de vida marinha frágil, e na inspecção de equipamento em espaços apertados e perigosos.

O principal resultado é demonstrar que um braço robótico macio inspirado no polvo pode sentir e agir através do próprio corpo, sem um computador central a dirigir cada gesto.

Com este desenho distribuído, torna-se possível acrescentar mais ventosas - ou até mais braços - sem sobrecarregar um único sistema de controlo.

Por enquanto, o braço pega em objectos simples e leves e transporta pouco mais de 0,5 kg. É um começo modesto.

A equipa pretende alargar esse intervalo e levantar cargas maiores, aproximando-se de robôs capazes de trabalhar sozinhos em locais desorganizados e de difícil acesso, onde as máquinas rígidas tendem a falhar.

Crédito da imagem: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia