ultrarrápido pequeno

Sep 05, 2023

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4456 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A locomoção em alta velocidade é uma estratégia de sobrevivência essencial para os animais, permitindo povoar ambientes hostis e imprevisíveis. Os robôs macios de inspiração biológica também se beneficiam de movimentos versáteis e ultrarrápidos, mas exigem mecanismos de direção e designs de dispositivos apropriados. Aqui, apresentamos uma classe de robôs eletromagnéticos macios de pequena escala feitos de bicamadas elastoméricas curvas, acionados por forças de Lorentz atuando em canais de metal líquido impressos incorporados transportando correntes alternadas com tensões de vários volts em um campo magnético estático. Seu desempenho ressonante dinâmico é investigado experimental e teoricamente. Esses robôs robustos e versáteis podem andar, correr, nadar, pular, dirigir e transportar cargas. Suas versões amarradas atingem velocidades de corrida ultra-altas de 70 BL/s (comprimentos do corpo por segundo) em substratos corrugados 3D e 35 BL/s em substratos planares arbitrários, enquanto sua velocidade máxima de natação é de 4,8 BL/s na água. Além disso, as versões do protótipo sem amarras correm e nadam a uma velocidade máxima de 2,1 BL/s e 1,8 BL/s, respectivamente.

Organismos naturais, como chitas, coelhos ou baratas, usam a locomoção de alta velocidade como uma de suas principais estratégias de sobrevivência para caçar comida ou fugir de predadores. A velocidade relativa em termos de comprimento corporal (BL) por segundo quantifica a velocidade de diferentes organismos em um amplo espectro de tamanhos corporais e pode chegar a 323 BL/s para o ácaro Paratarsotomus macropalpis1. A tecnologia alcança alta velocidade de locomoção principalmente por meio de máquinas de grande porte (BL > 100 mm) e motores de alta potência (como motores a combustão ou elétricos), resultando em carros de Fórmula 1 (50 BL/s) ou robôs quadrúpedes2 rodando a 9,1 BL/s. No entanto, o projeto de robôs de pequena escala de alta velocidade (1 mm < BL ≤ 100 mm) é desafiador devido às dificuldades na miniaturização de motores e sistemas de transmissão tradicionais de alto desempenho. Estruturas simples feitas de materiais inteligentes fornecem possibilidades alternativas para construir robôs miniaturizados. Titanato de zirconato de chumbo (PZT)3 e ligas com memória de forma (SMA)4 são dois materiais inteligentes rígidos representativos implementados em robôs de tamanho milimétrico, mas apresentam cursos de atuação muito pequenos ou baixas frequências para permitir a locomoção em alta velocidade. Além disso, a robótica emergente e a interação humano-robô exigem designs suaves, seguros, rápidos e robustos, capazes de operar em ambientes hostis e dinâmicos. Um exemplo extremo é o estômago humano, submetido a compressão mecânica durante a digestão e contendo fluidos ácidos. Prevenir ou tratar doenças relacionadas ao trato gastrointestinal promove o desenvolvimento de mini-robôs macios para administração de medicamentos ou cirurgia não invasiva5.

Para resolver esses problemas, surgiram materiais inteligentes macios para robótica, como fibras poliméricas termorresponsivas6, géis poliméricos responsivos a pH7, polímeros de cristal líquido responsivos à luz8 e materiais responsivos a campos elétricos/magnéticos9,10,11,12,13. No entanto, as fibras poliméricas responsivas ao calor e os géis poliméricos responsivos ao pH dependem da difusão lenta de íons ou calor e, portanto, não são rápidos o suficiente para a locomoção de alta velocidade em robôs. Polímeros de cristal líquido responsivos à luz8 podem ser acionados em frequências superiores a 10 Hz, mas a necessidade de iluminação modulada e ambientes transparentes restringem suas possibilidades de aplicação14. Elastômeros responsivos a campos elétricos/magnéticos, como elastômeros dielétricos (DE) e elastômeros magnéticos macios (SME), normalmente apresentam tempos de resposta rápidos, com vibrações na faixa de kHz9,10,11,12. As desvantagens dos DEs são suas altas tensões de atuação (na faixa de kV), apresentando possíveis problemas de segurança e impedindo a miniaturização. Os robôs SME são seguros, têm resposta rápida e são fáceis de miniaturizar, mas têm dificuldades com projetos de módulos múltiplos ou enxame de robôs, pois exigem campos magnéticos globais e dinamicamente sintonizáveis14,15,16. Atuadores eletromagnéticos macios (SEMA) compreendendo bobinas de metal líquido (LM) embutidas em substratos elastoméricos têm melhor controlabilidade local e apresentam alto desempenho em um forte campo magnético estático, como existe, por exemplo, em uma máquina de ressonância magnética (MRI)9. Os avanços na impressão LM 3D permitem a miniaturização de SEMAs em escala milimétrica, abrindo rotas para locomoção de alta velocidade em robôs macios de tamanho de micrômetro a centímetro17.