Robótica

Olho robótico usa músculos artificiais para imitar olho humano

Além da operação de robôs móveis e robôs industriais, os pesquisadores planejam testar seu "olho artificial" em instrumentos de reabilitação e equipamentos de diagnóstico médico. [Imagem: Georgia Tech Photo: Joshua Schultz]

Visão robótica

Usando materiais piezoelétricos, pesquisadores replicaram em certa medida o movimento muscular do olho humano, criando um autêntico "olho robótico".

Os músculos artificiais controlam uma câmera com um nível de precisão que promete mudar o campo da visão artificial.

Isso permitirá não apenas otimizar a operação dos robôs, como também aprimorar aplicações como câmeras de vigilância e a chamada visão de máquina, usada para inspecionar processos industriais em alta velocidade.

Joshua Schultz e Jun Ueda desenvolveram um atuador piezoelétrico celular usando uma nova tecnologia inspirada na biologia - conectando cristais piezoelétricos como se eles fossem células musculares.

"Para que um robô seja verdadeiramente bio inspirado, ele precisa de atuadores, ou geradores de movimento, com propriedades similares às da musculatura dos organismos biológicos," disse Schultz. "Nossos atuadores têm muitas propriedades em comum com os músculos biológicos, especialmente a estrutura celular."

Estrutura celular

Materiais piezoelétricos - um tipo de cerâmica - expandem ou contraem quando recebem uma carga elétrica, oferecendo uma forma de conversão direta de sinais em movimento.

Mas essa expansão é pequena, o que tem reduzido o uso de atuadores piezoelétricos no campo da robótica.

Usando o que eles chamam de "estrutura celular", os pesquisadores conectaram inúmeros pequenos atuadores em série e em paralelo, obtendo um curso de deslocamento do músculo artificial muito maior.

O sistema fica mais compacto e consome menos energia do que mecanismos miniaturizados comparáveis, como os usados em câmeras fotográficas para fazer o foco automático.

"Cada atuador, similar a uma fibra muscular, tem um material piezoelétrico e um conjunto hierárquico de mecanismos aninhados de amplificação," explica Ueda.

Cinemática

Um dos objetivos dos cientistas era tentar resolver um enigma antigo.

Um olho artificial controlado por cabos consegue produzir a cinemática do olho biológico, mas servomotores rígidos não permitem testar hipóteses sobre a base neurológica para o movimento dos olhos.

"Ao contrário dos atuadores tradicionais, os atuadores celulares piezoelétricos são controlados pelo mesmo princípio de operação dos músculos, ou seja, o movimento é resultado da ativação discreta de conjuntos de fibras ativas, chamadas unidades motoras," continua Ueda.

Isso permite que o conjunto reaja de acordo com as necessidades, o que é crítico para os robôs, que devem operar em ambientes não estruturados e, muitas vezes, desconhecidos.

Além da operação de robôs móveis e robôs industriais, os pesquisadores planejam testar seu "olho artificial" em instrumentos de reabilitação e equipamentos de diagnóstico médico.

Robótica de enxame: robôs unidos jamais serão vencidos

Os Kilobots representam uma plataforma barata e simples para o teste de comportamentos colaborativos e sincronizados em grandes enxames de robôs capazes de agir socialmente.[Imagem: Michael Rubenstein]

Ação grupal

Inspirada nas características de insetos que vivem em grupos, como as abelhas e as formigas, a chamada "robótica de enxame" trabalha com robôs pequenos e simples, que agem em conjunto para realizar tarefas complexas.

Essas tarefas podem ser participar de um jogo de futebol de robôs, por exemplo. Mas, no futuro, também poderão consistir em coletar contaminantes químicos ou radioativos, partícula por partícula, depositando-os em local seguro.

A equipe da pesquisadora Nadia Nedjah, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), está aprimorando esta tecnologia.

Para explicar seu trabalho, ele recorre ao exemplo das formigas que, embora não tenham um cérebro muito desenvolvido, não sendo individualmente muito inteligentes, nem tenham uma boa visão, conseguem realizar trabalhos complexos, como encontrar e usar o menor caminho do ninho à comida ou a construção de pontes vivas.

"Para isso, as formigas interagem entre si e com o ambiente ao redor", explica Nadia.

Inteligência coletiva

Essa "inteligência de enxame" - ou de bando, ou de colônia - emprega o mesmo princípio para descobrir soluções inovadoras para problemas do dia-a-dia: "Trouxemos esta adaptação para a inteligência artificial", diz a pesquisadora.

Assim, o grupo não está tão interessado no hardware, mas na inteligência coletiva que pode emergir da atuação conjunta dos robôs.

Para isso, o grupo, que conta também com pesquisadores da UFRJ e da UFRRJ, desenvolve cálculos matemáticos, ou algoritmos, para determinar a ação dos robôs, considerando o ambiente externo e a tarefa a ser executada.

Esses algoritmos servem para criar programas que, inseridos nos robôs, passam a determinar sua atuação.

Dotados com diferentes tipos de sensores, os robôs são capazes de avisar quando encontram o que procuram - partículas contaminadas, sobreviventes sob escombros etc. - e só param a busca quando alcançam seu objetivo - ou quando acaba sua bateria.

Os pesquisadores brasileiros querem dar inteligência também aos robôs voadores, como esse robô-abelha. [Imagem: Harvard Microrobotics Lab]

Robôs em equipe

Uma das grandes vantagens da robótica de enxame é que não é necessário controle remoto nem nenhum tipo de comando centralizado: os programas criados controlam todas as ações do grupo de robôs, que trocam informações para minimizar o trabalho.

"Dependendo da situação, podemos fazer com que os robôs andem em fila, se locomovam como em um cardume de peixes, ou se dividam em grupos para atuar em tarefas diferentes, mas colaborando entre si e se harmonizando para uma única finalidade. Alguns algoritmos permitem que os robôs formem uma ponte, assim como as formigas fazem para atravessar um terreno acidentado, com buracos maiores do que elas", explica.

A pesquisadora ainda ressalta que a equipe está trabalhando para criar situações em que as máquinas redistribuam suas tarefas no caso em que um dos robôs venha a falhar no meio de uma missão.

Diversos testes já foram realizados em laboratório, todos eles bem-sucedidos. Entre eles, encontrar focos de contaminação radioativa em uma sala - simulados por pontos de luz - ou realizar seleção e separação de lixo.

No primeiro caso, os robôs foram programados para parar somente depois de encontrarem os focos luminosos; no`segundo, os robôs foram munidos de sensores para identificar diferentes tipos de lixo, como o papelão, e programados para separá-los do resto.

Os enxames de robôs marinhos estão sendo projetados para fazer ciência ou para encontrar caixas-pretas de aviões que caiam no mar. [Imagem: SIO]

Robôs voadores

A equipe está começando agora a criar algoritmos para um tipo diferente de máquina: os robôs voadores.

"Poderíamos aplicar essas máquinas para a supervisão de desmatamento em grandes áreas, como a Amazônia. Os robôs sobrevoariam um local específico e, ao avistar áreas desmatadas, avisariam uns aos outros até que a informação chegasse ao computador [central] que estivesse monitorando a tarefa", explica.

De acordo com a pesquisadora, outras possibilidades de aplicação da robótica de enxame incluem o mapeamento de locais de difícil acesso, a ajuda para detectar o transporte de substâncias proibidas em bagagens em aeroportos, e futuras explorações de outros planetas.

"Vamos continuar trabalhando no desenvolvimento da inteligência de enxame até que possamos colocá-la em prática. Tudo isso vai ajudar muito nas situações mais difíceis de nosso cotidiano", finaliza.

Robô cultiva cartilagens para transplantes

O robô para engenharia de tecidos estimula e monitora o crescimento das células e do tecido como um todo, sem atrapalhar seu desenvolvimento. [Imagem: Gallagher/NIST]

Biorreator robotizado

Um robô capaz de cultivar, estimular o crescimento e avaliar o desenvolvimento de seus "frutos" bem poderia ser chamado de robô agricultor, ou algo parecido.

A diferença é que este novo robô não lida com plantas - ele cultiva células humanas vivas.

Trata-se de um biorreator - uma câmara capaz de cultivar tecidos biológicos - totalmente robotizado, que trabalha autonomamente.

Ele é capaz de cultivar as células e, por meio de uma contínua avaliação do seu processo de crescimento, imitar os processos naturais, gerando tecidos vivos.

O objetivo é que, no futuro, esses tecidos cultivados por robôs possam ser utilizados para substituição de tecidos do corpo humano danificados por acidentes ou queimaduras, ou por desgaste, como as cartilagens dos joelhos e dos quadris.

Cartilagens para transplantes

As técnicas manuais atuais de cultivo de tecidos são lentas e só conseguem avaliar a qualidade do tecido gerado depois que ele cresceu - se algo saiu errado, a única alternativa é começar tudo de novo.

O biorreator criado por engenheiros do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos EUA, ao contrário, usa um sistema de ultrassom para monitorar continuamente o tecido, sem danificá-lo e sem atrapalhar seu desenvolvimento.

A pesquisadora Jenni Popp está apostando inicialmente no cultivo de cartilagens porque, sendo tecido não-vascularizados, sua replicação em laboratório é mais simples e mais promissora.

Além disso, a criação de cartilagens em laboratório permitirá atender uma área médica que não conta com a possibilidade de doações para transplantes - a substituição das cartilagens danificadas é feita atualmente por materiais plásticos ou metálicos, com sérios problemas de desgaste.

Biocinética

O novo equipamento automatiza inteiramente o trabalho do biorreator, incluindo a incubadora das células e o controle de suas condições de crescimento e alimentação em um material artificial de suporte que imita a matriz extracelular.

Os estudos preliminares indicam que o biorreator faz todo este trabalho com precisão, gerando cartilagens em formatos tridimensionais em cerca de sete dias.

Embora a aplicação médica ainda necessite de aprimoramentos em termos de formato da estrutura gerada, colegas da Universidade do Colorado já solicitaram o equipamento para validar modelos matemáticos de biocinética, o estudo do crescimento e do movimento dos tecidos vivos.

Esta validação prática será possível pela primeira vez graças à precisão do trabalho do robô.

Bibliografia:

An instrumented bioreactor for mechanical stimulation and real-time, nondestructive evaluation of engineered cartilage tissue.
Jenni R. Popp, Justine J. Roberts, Doug V. Gallagher, Kristi S. Anseth, Stephanie J. Bryant, Timothy P. Quinn
Journal of Medical Devices
Vol.: 6, issue 2, 021006
DOI: 10.1115/1.4006546