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May 04, 2023

Por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, 5 de dezembro de 2022

Close dos filamentos da pinça envolvendo um objeto. Crédito: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

Você está ciente de como é difícil agarrar e segurar itens com garras robóticas se você já jogou o jogo da garra em um fliperama. Imagine como esse jogo seria muito mais estressante se você estivesse tentando pegar um pedaço delicado de coral em extinção ou um tesouro precioso de um navio naufragado, em vez de bichos de pelúcia macios.

A maioria das garras robóticas de hoje usa uma combinação de habilidade do operador e sensores embutidos, loops de feedback intrincados ou algoritmos de aprendizado de máquina de ponta para agarrar itens frágeis ou de formato irregular. No entanto, cientistas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard mostraram que existe um método mais simples.

Inspirando-se na natureza, os cientistas criaram um novo tipo de garra robótica macia que emprega uma rede de tentáculos finos para enredar e agarrar objetos, semelhante à forma como as águas-vivas coletam suas presas. Filamentos individuais, ou tentáculos, não são muito fortes por conta própria. No entanto, quando usados ​​em grupo, os filamentos podem agarrar e segurar com firmeza coisas de todas as formas e tamanhos. A garra não precisa de detecção, planejamento ou controle de feedback; ele se baseia na inflação simples para envolver os itens.

O estudo foi publicado recentemente na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Garra macia agarra suculentas. Crédito: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

"Com esta pesquisa, queríamos reimaginar como interagimos com os objetos", disse Kaitlyn Becker, ex-aluna de pós-graduação e pós-doutoranda da SEAS e primeira autora do artigo. "Ao aproveitar a flexibilidade natural da robótica leve e aprimorá-la com uma estrutura compatível, projetamos uma garra que é maior que a soma de suas partes e uma estratégia de preensão que pode se adaptar a uma variedade de objetos complexos com o mínimo de planejamento e percepção. ."

Becker é atualmente um Professor Assistente de Engenharia Mecânica no MIT.

A força e a adaptabilidade da garra vêm de sua capacidade de se enredar no objeto que está tentando agarrar. Os filamentos de um pé de comprimento são tubos de borracha ocos. Um lado do tubo tem borracha mais grossa que o outro, então quando o tubo é pressurizado, ele se enrola como um rabo de cavalo ou como um cabelo alisado em um dia chuvoso.

Um vídeo demonstrando o robô. Crédito: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Os cachos se amarram e se emaranham entre si e com o objeto, com cada emaranhado aumentando a força da fixação. Embora o domínio coletivo seja forte, cada contato é individualmente fraco e não danifica nem mesmo o objeto mais frágil. Para liberar o objeto, os filamentos são simplesmente despressurizados.

Os pesquisadores usaram simulações e experimentos para testar a eficácia da pinça, pegando uma variedade de objetos, incluindo várias plantas e brinquedos. A pinça pode ser usada em aplicações do mundo real para agarrar frutas e vegetais macios para produção e distribuição agrícola, tecidos delicados em ambientes médicos e até mesmo objetos de formato irregular em armazéns, como artigos de vidro.

Esta nova abordagem para agarrar combina a pesquisa do professor L. Mahadevan sobre a mecânica topológica de filamentos emaranhados com a pesquisa do professor Robert Wood sobre garras robóticas macias.

“O emaranhamento permite que cada filamento altamente complacente se conforme localmente com um objeto alvo, levando a uma compreensão topológica segura, mas suave, que é relativamente independente dos detalhes da natureza do contato”, disse Mahadevan, professor de matemática aplicada de Lola England de Valpine em SEAS, e de Organismic and Evolutionary Biology, e Physics in FAS e co-autor correspondente do artigo.

"Esta nova abordagem para a preensão robótica complementa as soluções existentes, substituindo garras simples e tradicionais que exigem estratégias de controle complexas por filamentos extremamente complacentes e morfologicamente complexos que podem operar com controle muito simples", disse Wood, professor de engenharia de Harry Lewis e Marlyn McGrath. e Ciências Aplicadas e co-autor correspondente do artigo. "Esta abordagem expande o alcance do que é possível pegar com garras robóticas."