Os robôs industriais de hoje são potentes, rápidos e altamente precisos, mas também são pesados ​​e potencialmente perigosos. Qualquer pessoa que trabalhe com estas máquinas precisa de ter cuidado, pois ser atingido pelo braço de um robô industrial pode ter consequências dolorosas. Se queremos que as pessoas trabalhem lado a lado e em estreita colaboração com os robôs, estes terão de ser, literalmente, mais suaves. A equipa de investigação liderada pelo Professor Stefan Seelecke, especialista em sistemas de materiais inteligentes da Universidade do Sarre, está a desenvolver um braço robótico que não incorpora peças metálicas pesadas.

Os investigadores em Saarbrücken inspiraram-se na natureza, especificamente na tromba do elefante. "A tromba de um elefante é uma história de sucesso evolutivo que teve milhões de anos para se adaptar e provar o seu valor na prática", explica Stefan Seelecke. O braço robótico esguio, em forma de tromba, que a equipa de investigação está a desenvolver pode rodar, oscilar e dobrar em todas as direções. Ao contrário dos braços metálicos pesados ​​e articulados utilizados nos robôs industriais atuais, o novo braço robótico não está preso a uma junta volumosa que permite o movimento apenas em determinadas direções. Tal como a tromba de um elefante não tem ossos, a tromba robótica não possui uma estrutura metálica rígida. A sua flexibilidade e capacidade de manobra provêm da forma inteligente como os seus músculos artificiais interagem entre si.

“Utilizando sistemas de materiais inteligentes, podemos criar ferramentas robóticas flexíveis e macias, muito mais leves e flexíveis do que os dispositivos utilizados atualmente. Não necessitam de motores, sistemas hidráulicos ou pneumáticos; basta um pouco de energia elétrica. Isto torna a nossa tecnologia sustentável, económica e silenciosa”, afirma Stefan Seelecke. O seu grupo de investigação na Universidade do Sarre e no Centro de Mecatrónica e Tecnologia de Automação de Saarbrücken (ZeMA) está a desenvolver diversos tipos de músculos artificiais para utilização em troncos e tentáculos robóticos inteligentes. Para conceber estes sistemas, os engenheiros utilizam polímeros inteligentes e ligas com memória de forma. A equipa apresentará um novo protótipo de tronco robótico na Feira de Hannover deste ano. Demonstrarão as capacidades de uma probóscide de 30 centímetros de comprimento, cujos “músculos” e “nervos” são constituídos por feixes de fios de níquel-titânio. “A tecnologia que desenvolvemos é escalável e pode ser utilizada em grandes braços robóticos para aplicações industriais”, explica Seelecke.

Os músculos artificiais feitos de fios de níquel-titânio podem contrair-se como os dos organismos vivos. Quando comandados, podem encurtar (contração muscular) e voltar a alongar (relaxamento muscular). A capacidade do níquel-titânio se comportar desta forma deve-se à propriedade invulgar da liga de memória de forma; ou seja, o material pode "recordar" a sua forma original e voltar a esta após ser deformado. Se um fio de níquel-titânio for aquecido, por exemplo, com uma corrente elétrica, encurta. Quando a corrente é interrompida, o fio arrefece e volta ao seu comprimento original. A razão deste comportamento reside na estrutura cristalina da liga. "O aquecimento da liga induz transições de fase no estado sólido", explica o Professor Paul Motzki, que investiga com Stefan Seelecke e é professor interinstitucional na área dos sistemas de materiais inteligentes para produção inovadora na Universidade do Sarre e no ZeMA. Ao contrário da água líquida, por exemplo, que muda de estado e se torna gasosa quando aquecida, o níquel-titânio permanece no estado sólido, mas a sua estrutura cristalina sofre uma transformação.

Os engenheiros estão a construir o tronco robótico a partir de um grande número de filamentos musculares artificiais. Tal como o tecido muscular humano é composto por feixes de fibras musculares, os filamentos musculares artificiais são compostos por feixes de fios ultrafinos com memória de forma. Estes feixes de fios ultrafinos proporcionam uma grande área de superfície através da qual podem transferir calor, o que significa que arrefecem e relaxam mais rapidamente após a contração. Eles também são fortes. Os fios têm a maior densidade de energia de qualquer mecanismo de acionamento conhecido e podem gerar uma força de tração considerável. "Isto permite-nos construir tecnologias de acionamento poderosas em espaços muito pequenos, algo que seria impossível de outra forma", explica Motzki. Ao passar feixes de fios por uma série de discos plásticos finos e redondos, os feixes de fios mantêm o espaçamento entre os discos, criando assim segmentos da estrutura semelhantes a um tronco. Unindo vários destes segmentos, os investigadores podem construir um tronco completo, com os discos a tornarem-se progressivamente mais pequenos em direção à extremidade afilada do tronco.

Aplicando correntes elétricas, a equipa de investigação consegue fletir os músculos do tronco. Ao encurtar os filamentos musculares artificiais de um dos lados de um segmento muscular, o tronco inclina-se para fora no ângulo desejado nesse ponto. Controlando a ativação de cada feixe de fios, os músculos artificiais podem flexionar e estender-se para criar sequências fluidas de movimento. Sem a necessidade de sensores adicionais, os investigadores conseguem controlar a posição do tronco de forma rápida e precisa, fazendo-o executar praticamente qualquer sequência de movimentos. Não são necessários sensores adicionais porque os próprios músculos artificiais possuem propriedades sensoriais, permitindo-lhes atuar também como uma espécie de sistema sensorial interno. Cada deformação dos fios provoca uma alteração na resistência elétrica, sendo possível atribuir um valor de resistência preciso a qualquer deformação específica do fio. Com estes valores de resistência, sabemos exatamente como um determinado feixe de fios se deforma, o que essencialmente confere ao sistema propriedades sensoriais”, explica o doutorando Yannik Goergen, que desenvolveu a tromba artificial como parte do seu projeto de investigação de doutoramento. Para treinar a tromba biónica, os engenheiros utilizam estes valores para modelar e programar sequências de movimento, o que, por sua vez, envolve o desenvolvimento de algoritmos inteligentes para este fim. Podem também equipar a ponta da tromba com funções adicionais, como uma ferramenta de preensão ou um sistema de câmaras. A tromba podia também ser equipada com uma mangueira capaz de dispensar ou bombear fluidos com precisão.