FiberMotor da EPFL, um motor fino como um fio, desliza como um telescópio para alimentar robôs flexíveis

Um motor que parece mais um fio do que uma máquina

Engenheiros da EPFL, na Suíça, construíram um motor flexível que parece um fio, um formato que destoa de quase tudo o que a palavra "motor" normalmente traz à mente. O dispositivo, que a equipe chama de FiberMotor, é flexível em vez de rígido, e se estende de uma maneira que lembra as seções deslizantes de um telescópio. A intenção por trás do design é alimentar robôs flexíveis e wearables, duas categorias de tecnologia que há muito tempo são limitadas pelos acionamentos rígidos e quadrados que ficam em seu núcleo.

A proposta é simples de enunciar e difícil de projetar: se a máquina sendo construída é flexível, a coisa que a move não deveria ser o objeto mais duro da montagem. O FiberMotor é uma tentativa de fechar essa lacuna começando pelo próprio atuador, em vez de tratar a flexibilidade como uma reflexão tardia aplicada em torno de hardware convencional.

Por que os robôs flexíveis continuam esbarrando em motores rígidos

A robótica flexível passou anos desenvolvendo corpos que dobram, esticam, agarram objetos delicados e absorvem impactos sem se estilhaçar. O lado dos materiais do campo avançou rapidamente, com elastômeros, tecidos e estruturas complacentes que podem torcer e flexionar de maneiras que ligações metálicas não conseguem. O problema surge no momento da atuação. Motores, caixas de engrenagens e as linhas de transmissão que os conectam são tipicamente rígidos, e fixá-los a um corpo maleável cria uma incompatibilidade mecânica.

Essa incompatibilidade se manifesta de várias maneiras práticas:

• Os componentes rígidos se tornam a parte mais pesada e mais frágil de um sistema supostamente flexível, limitando o quão complacente a máquina inteira pode realmente ser.
• O peso se concentra nas articulações onde o motor fica, o que restringe as formas que um projetista pode construir e os movimentos que o dispositivo pode realizar com segurança.
• As interfaces entre hardware rígido e material flexível se tornam pontos de desgaste, os lugares onde um dispositivo tem maior probabilidade de sofrer fadiga ou falhar.
• O volume limita o quão proximamente um robô flexível pode imitar um membro biológico, que tipicamente tem músculo distribuído em vez de um único acionamento denso.

Um motor que é ele próprio flexível e semelhante a um fio aborda essa incompatibilidade na origem. Em vez de projetar em torno de um bloco rígido, os engenheiros trabalhariam com um atuador que pode ser roteado, dobrado e integrado a uma estrutura maleável, muito como um tendão ou cabo poderia ser.

O comportamento de telescópio, explicado em termos simples

A comparação que os pesquisadores buscam é um telescópio, e a analogia diz respeito a como o dispositivo muda de comprimento. Um telescópio se estende deslizando segmentos aninhados uns sobre os outros, ganhando alcance sem ganhar um único corpo rígido daquele comprimento total. O FiberMotor é descrito como deslizando de maneira comparável, o que sugere um mecanismo que pode se estender para fora a partir de uma forma compacta e flexível, em vez de depender de um eixo ou rotor convencional.

Isso importa para o design de movimento. A extensão telescópica dá a um sistema flexível uma maneira de alcançar, empurrar ou alongar ao longo de um eixo enquanto o próprio atuador permanece flexível. Para robôs que precisam se estender em espaços confinados, ou para dispositivos vestíveis que devem acompanhar os contornos de um corpo em movimento, um atuador que muda de comprimento sob demanda sem impor uma espinha rígida é um bloco de construção significativamente diferente de um motor emparelhado com um fuso rígido.

Wearables são a segunda metade da aposta

A tecnologia vestível tem um problema paralelo. Dispositivos usados no corpo são avaliados por conforto, peso e quão pouco interferem no movimento natural, mas wearables assistivos motorizados tradicionalmente foram construídos com estruturas rígidas e motores que ficam visivelmente no quadril, joelho ou costas. A robótica próxima de roupas, em contraste, precisaria de acionamentos que possam ser tecidos no tecido ou dispostos ao longo de um membro sem criar um ponto de pressão ou uma borda dura.

Um motor semelhante a um fio se encaixa nesse briefing conceitualmente. A manufatura têxtil já lida com materiais flexíveis e alongados em escala, então um atuador em forma de filamento é pelo menos compatível com a maneira como as roupas são feitas. As mesmas propriedades que tornariam o FiberMotor útil em um robô flexível — flexibilidade, perfil fino, a capacidade de se estender ao longo de seu próprio comprimento — são as propriedades que um acionamento vestível precisaria.

O que ainda não foi estabelecido

O anúncio de um dispositivo em estágio inicial deixa as questões de engenharia em aberto. O FiberMotor da EPFL é apresentado como um motor flexível que lembra um fio e se estende telescopicamente para robótica flexível e wearables, mas a descrição principal não resolve quanta força esse motor pode produzir, quão eficientemente converte energia em movimento, quantos ciclos pode sobreviver antes que os elementos flexíveis se degradem, ou como é alimentado e controlado em um sistema real.

Esses são os números que determinam se um atuador engenhoso se torna um componente prático. Atuadores flexíveis frequentemente trocam densidade de força e precisão por complacência, e a questão interessante para o FiberMotor é onde ele se posiciona nessa troca. Um wearable que auxilia uma articulação, por exemplo, precisa de força suficiente para importar, enquanto um robô flexível manipulando objetos frágeis precisa de controle fino. Se um motor telescópico semelhante a um fio pode entregar qualquer um dos dois em níveis úteis é a próxima coisa a observar.

Um padrão familiar na pesquisa de atuadores

O FiberMotor se insere em um esforço mais amplo para fazer a atuação corresponder à flexibilidade das estruturas que ela aciona. Grupos de pesquisa em toda a Europa, Ásia e América do Norte experimentaram com músculos artificiais, tendões acionados por cabos, câmaras pneumáticas e atuadores eletrostáticos, todos perseguindo o mesmo objetivo de ângulos diferentes: mover máquinas complacentes com hardware complacente. A contribuição da EPFL adiciona uma opção em forma de fibra e telescópica a esse menu.

O valor de uma nova categoria de atuador raramente é que ela substitui motores existentes de imediato. É que ela abre espaço de design. Se um motor pode ser tão fino e flexível quanto um fio, então membros de robôs, exosuits e auxílios vestíveis não precisam mais ser organizados em torno de um acionamento rígido em uma articulação. Eles podem ser organizados em torno de atuação distribuída e compatível com têxteis — mais próxima de como o músculo biológico é arranjado.

Por enquanto, o FiberMotor é uma forma promissora em vez de um produto comprovado. O fio desliza, o telescópio se estende, e as aplicações citadas são robôs flexíveis e wearables. O trabalho pela frente é a parte pouco glamourosa: medir durabilidade, potência e controle, e então mostrar o dispositivo se comportando de forma confiável dentro de uma máquina real.

Este artigo é baseado em reportagem do Interesting Engineering. Leia o artigo original.