Uma equipa de investigação liderada pelos especialistas em materiais inteligentes, Professor Stefan Seelecke e Professor Júnior Gianluca Rizzello, da Universidade do Sarre, está a explorar os aspetos fundamentais deste fascinante campo da robótica flexível.

Na fábrica do futuro, humanos e máquinas trabalharão lado a lado, em harmonia, como uma equipa, unindo forças sempre que necessário, como se o robô colaborativo fosse de carne e osso. Embora os robôs colaborativos ("cobots") já estejam a ser implementados em linhas de produção industrial, o verdadeiro trabalho de equipa, corpo a corpo, entre robôs e os seus colegas humanos ainda está longe de se tornar realidade. O problema reside na proximidade física dos colaboradores humanos, cujas ações — ao contrário das de um robô — não seguem algoritmos previsíveis. Um trabalhador humano pode cansar-se ou distrair-se e agir repentinamente ou até mesmo de forma ilógica. Isto tem claras implicações para a segurança e explica porque é que os braços robóticos atualmente utilizados nas linhas de produção estão geralmente protegidos por jaulas. Para quem se aproxima demasiado, as coisas podem tornar-se perigosas. Os robôs industriais são tipicamente máquinas grandes e pesadas. Mas também são potentes, rápidos e ágeis, e são utilizados para uma vasta gama de operações, como soldadura, montagem, pintura, empilhamento e levantamento. No entanto, os seus movimentos são ditados inteiramente pelos programas que os controlam. E se alguém se atravessar no caminho ou se aproximar demasiado, as consequências podem ser graves.

A equipa liderada pelo Professor Stefan Seelecke e pelo Professor Adjunto Gianluca Rizzello, da Universidade do Sarre e do Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação (ZeMA) em Saarbrücken, está a trabalhar em novos tipos de braços robóticos inteligentes. “A nossa tecnologia baseia-se em sistemas de polímeros inteligentes e permite-nos criar novas ferramentas robóticas flexíveis que são mais leves, mais manobráveis ​​e mais flexíveis do que os componentes rígidos atualmente em uso”, explica Stefan Seelecke. Um empurrão acidental de um destes braços robóticos do futuro seria mais parecido com um empurrão de um colega de trabalho humano (e menos propenso a levá-lo ao hospital).

O material utilizado para estes novos braços robóticos flexíveis é um tipo especial de polímero conhecido como “elastómero dielétrico”. Os investigadores em Saarbrücken utilizam este material compósito para criar músculos e nervos artificiais. As propriedades especiais dos elastómeros dielétricos permitem o desenvolvimento de sistemas inspirados nos engenhosos projetos da natureza. Estes elastómeros podem ser comprimidos e depois esticados de volta à sua forma original. “Imprimimos elétrodos em ambos os lados do material elastomérico. Quando aplicamos uma voltagem, os dois elétrodos atraem-se, comprimindo o polímero e fazendo com que este se expanda lateralmente”, explica o Dr. Gianluca Rizzello, professor júnior de sistemas adaptativos baseados em polímeros. O investigador italiano trabalha na equipa de Seelecke desde 2016. Assim, o elastómero pode contrair e relaxar, tal como o tecido muscular. “Aproveitámos esta propriedade para projetar os nossos atuadores”, explica Rizzello. Variando precisamente o campo elétrico, os engenheiros podem fazer com que o elastómero execute vibrações de alta frequência ou movimentos de flexão continuamente variáveis, ou até mesmo permaneça imóvel numa posição intermédia específica desejada.

Os investigadores combinam então um grande número destes minúsculos “músculos” para criar um braço robótico flexível. Quando combinados desta forma para formar um tentáculo robótico, a interação entre os músculos produz movimentos que imitam os de um braço de polvo, que pode rodar em todas as direções. Ao contrário dos membros robóticos pesados ​​e rígidos atualmente em uso, que, tal como os humanos, apenas conseguem mover-se em determinadas direções, estes novos tentáculos robóticos têm liberdade de movimento em praticamente qualquer direção. Gianluca Rizzello, juntamente com o seu estudante de doutoramento Johannes Prechtl, recebeu recentemente o prémio de Melhor Artigo na conferência RoboSoft 2021 pelo seu trabalho no desenvolvimento de um protótipo de tentáculo baseado num elastómero dielétrico — um dos inúmeros prémios obtidos pela equipa de investigação do Professor Seelecke. A equipa espera ter o protótipo do tentáculo totalmente desenvolvido em cerca de um ano.
Quando se trata de conferir inteligência aos materiais poliméricos, Gianluca Rizzello é um verdadeiro especialista. Fornece à unidade de controlo (ou seja, ao "cérebro" do robô) os dados necessários para movimentar o braço de forma inteligente — uma tarefa muito complexa e ambiciosa. Estes sistemas são muito mais complexos do que os braços robóticos atuais. "Utilizar inteligência artificial para controlar componentes à base de polímeros é muito mais difícil do que controlar sistemas mecatrónicos convencionais", explica Rizzello. Como os músculos de elastómero também possuem propriedades sensoriais, podem funcionar como os nervos do sistema, o que significa que o braço robótico não necessita de estar equipado com sensores adicionais. Cada distorção do elastómero, cada alteração na sua geometria, provoca uma alteração na capacitância do material, permitindo à equipa atribuir um valor preciso de capacitância elétrica a qualquer deformação específica do elastómero. “Ao medir a capacitância, sabemos exatamente qual a forma que o elastómero assumiu, o que nos permite extrair dados do sensor”, explica Rizzello. “

Estes dados quantitativos podem então ser utilizados para modelar e programar com precisão o movimento do braço de elastómero.” A investigação de Rizzello centra-se no desenvolvimento de algoritmos inteligentes que possam treinar estes novos tentáculos robóticos para se moverem e responderem conforme necessário. “Estamos a tentar descobrir quais as propriedades físicas responsáveis ​​pelo comportamento destes polímeros.” “Quanto mais soubermos, mais precisamente poderemos conceber os algoritmos para controlar os músculos de elastómero”, afirma o Dr. Rizzello.

A tecnologia que está a ser desenvolvida no Sarre será escalável. Esta tecnologia pode ser utilizada para criar tentáculos em miniatura para instrumentos médicos ou para fabricar grandes braços robóticos para aplicações industriais. Mas, ao contrário dos pesados ​​braços robóticos utilizados atualmente, os membros robóticos construídos com elastómeros inteligentes serão muito mais leves. Os nossos braços robotizados não precisam de ser alimentados por motores ou sistemas hidráulicos ou pneumáticos; podem operar simplesmente aplicando uma corrente elétrica. Além disso, os músculos de elastómero podem ser fabricados em formatos que satisfaçam os requisitos de uma aplicação específica. E consomem muito pouca energia elétrica. Dependendo da capacitância, as correntes elétricas que circulam estão na gama dos microampères. "Este tipo de tecnologia de robôs flexíveis é muito promissor para o futuro, uma vez que o seu fabrico é eficiente em termos energéticos e de custos", resume Stefan Seelecke.

Esta investigação é apoiada pela Fundação Alemã para a Investigação (DFG) através do programa prioritário SPP2100 "Sistemas Robóticos de Materiais Flexíveis".