Cadeia robótica ativa da UvA demonstra um ponto excecional crítico e move-se sem computador

A maioria dos robôs capazes de alternar entre tarefas precisa de instruções para o fazer. Modo de andar, modo de rastejar e modo de escavar são, regra geral, funções programadas e activadas por código - nada muda de comportamento por si só.

Em Amesterdão, físicos construíram um sistema que contraria essa lógica: um material activo composto por uma cadeia de varas motorizadas ligadas entre si, sem qualquer computador a bordo.

Esta cadeia robótica consegue deslocar-se a rastejar sobre uma superfície, caminhar na vertical ou abrir caminho em material solto - e passa de uma função para outra apenas em função da forma como é segurada.

Construção do material activo

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

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

Cada ligação ao longo da cadeia activa consiste num pequeno motor ligado por fios aos segmentos vizinhos. Quando um segmento se dobra, 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 essencial. Ela quebra uma restrição que, normalmente, dita como as forças se propagam ao longo de uma viga. Ao comprimir a cadeia nas extremidades, em vez de permanecer estática, ela começa a oscilar.

A flambagem transforma-se em movimento

Se pressionar um bilhete de papel entre dois dedos, ele encurva e depois “salta” para um dos lados. Esse fenómeno é a flambagem. Num material passivo, a flambagem acontece uma vez e o objecto fica nessa configuração - como uma régua plana ou uma viga metálica depois de ultrapassar o limite.

Na cadeia activa, o mesmo tipo de aperto não conduz a um estado final estável. Ela salta para um lado, volta, e repete o ciclo numa oscilação regular.

Enquanto os motores estiverem alimentados, o movimento mantém-se. O “estalo” propaga-se pela cadeia sob a forma de pulsos - e apenas numa direcção, determinada pela forma como os motores estão interligados.

“O resultado surpreendente foi que as cadeias construídas desta forma continuaram a mostrar flambagem e estalos quando forças externas eram aplicadas, mas não apenas uma única flambagem e um único estalo”, disse Al-Izzi.

Dentro de um ponto crítico

A flambagem clássica ocorre num ponto crítico - o limiar exacto em que uma viga perde estabilidade e “escolhe” um lado.

Trabalhos anteriores já mapearam esse limiar em sistemas muito diferentes, desde plantas carnívoras até comutadores micro-electrónicos.

Um artigo de referência mostrou que a dioneia (a armadilha de Vénus) recorre ao mesmo tipo de instabilidade mecânica para fechar as folhas em cerca de um décimo de segundo.

Na cadeia de Amesterdão, a transição é diferente. O sistema atravessa um limiar a que os físicos chamam ponto excecional crítico - mais estranho do que a flambagem comum.

Duas formas de flexão tornam-se instáveis ao mesmo tempo. Em vez de convergir para uma única forma, passam a impulsionar-se mutuamente, alternando continuamente.

Esse ciclo é a origem do movimento persistente. Basta um pequeno estímulo na cadeia para ela regressar ao mesmo ritmo. Até agora, ninguém tinha demonstrado este caminho num objecto real e autónomo.

Três tarefas, um só corpo

A mesma cadeia activa pode rastejar sobre uma mesa lisa, caminhar quando se colocam pequenos “pés” nas extremidades, e escavar num monte de esferas de plástico. Não é necessário reprogramar. Não é preciso código novo. A função emerge da forma como é manuseada.

“Em termos simples, isto significou que as cadeias passaram a conseguir começar a rastejar, a andar e até a escavar”, disse Du.

Se alguém interromper a cadeia a meio do ciclo, se a fricção por baixo mudar, ou se a superfície for trocada de vidro para uma textura mais áspera, ela volta rapidamente ao padrão de movimento. Em filamentos activos anteriores, era necessário um ajuste muito preciso para manter uma passada específica.

Os físicos chamam a este comportamento um ciclo limite. A cadeia activa não se limita a tolerar perturbações - compensa-as, regressando sempre ao mesmo vai-e-vem estável.

Movimento sem “cérebro”

Hoje, a maioria dos robôs moles integra algum tipo de controlador no corpo - um chip, cablagem, ou uma ligação a um computador. Em laboratórios controlados, esta abordagem funciona bem.

Em ambientes cheios de obstáculos e imprevisibilidade, onde os robôs moles poderiam ter utilidade real - como edifícios colapsados, canalizações, ou até o interior do corpo humano - essa dependência é menos robusta.

Uma cadeia que se desloca sem controlador corresponde a um desenho completamente diferente. O movimento nasce da própria matéria activa: cada motor segue regras simples com os vizinhos mais próximos, sem necessidade de comando central.

Outros trabalhos recentes do mesmo laboratório já acompanharam o princípio em estruturas em laço, em folhas e em grelhas hexagonais - todas a moverem-se sem “cérebro” nem coordenação central.

O que isto permite

O contributo específico deste artigo é o objecto físico: um sistema real e autónomo que mostra, em prática, o ponto excecional crítico. A teoria já existia. A demonstração material, não.

Com isso, a robótica mole ganha um bloco de construção que opera sem controlo centralizado, se adapta ao meio por via da própria estrutura e resiste a perturbações.

Assim, os engenheiros podem começar a desenhar a locomoção no próprio material, em vez de a acrescentar com sensores e código.

É isto que abre a porta a robôs capazes de explorar escombros, navegar em tubagens ou escavar em solos moles sem perder função quando um controlador falha.