Avanços em Músculos Artificiais para Robótica

Músculos Artificiais são importantes em robótica e próteses porque tentam imitar como os músculos reais funcionam. A maioria dos músculos artificiais atuais só consegue encolher ou esticar, não os dois ao mesmo tempo. Isso dificulta a criação de sistemas robóticos realistas. Um novo tipo de sistema de músculos artificiais foi desenvolvido que pode tanto encolher quanto esticar, o que pode ajudar com esse problema.

#O Que São Músculos Artificiais?

Músculos artificiais são dispositivos que conseguem criar movimento. Eles são projetados para funcionar como os músculos naturais, que estão em criaturas vivas. Músculos naturais podem se contrair (ficar menores) e se estender (ficar maiores) para criar movimento. O novo design integra dois componentes principais: atuadores electrohidráulicos macios (HASELs) que não esticam e embreagens eletrostáticas. Essa combinação permite que o sistema de músculos artificiais se mova completamente sem perder movimento devido ao relaxamento nos tendões.

#Como Funciona?

Em configurações tradicionais com músculos que não esticam, se os tendões estão muito apertados, o movimento é bloqueado porque os músculos não conseguem esticar. Deixar um pouco de relaxamento nos tendões pode permitir movimento, mas isso reduz o alcance de movimento possível. O novo design resolve esse problema ao usar embreagens eletrostáticas junto com os músculos para permitir tanto a contração quanto a extensão. Isso restaura todo o alcance de movimento.

#Por Que Isso É Importante?

Os robôs estão cada vez mais olhando para a natureza em busca de ideias sobre como se mover e funcionar. Ao combinar materiais macios com estruturas rígidas, os engenheiros querem criar robôs que possam se mover tão suavemente e naturalmente quanto seres vivos. Partes macias em um robô podem torná-lo flexível e capaz de se adaptar a diferentes situações. Esse design também ajuda os robôs a usarem menos energia enquanto são mais eficazes.

#O Desafio com os Sistemas Atuais

A maioria dos robôs usa articulações de dobradiça para criar movimento. Essas articulações são simples e permitem um único sentido de movimento, assim como algumas articulações no corpo humano. Mas articulações mais complicadas permitem movimentos adicionais, aumentando a dificuldade mecânica. Os robôs costumam usar músculos macios que funcionam em pares, semelhante ao funcionamento dos bíceps e tríceps humanos. Para que os robôs funcionem da melhor forma, o design tanto dos músculos quanto da estrutura esquelética é essencial.

Um dos tipos mais antigos de músculos artificiais macios é o Músculo Artificial Pneumático (PAM). Esses músculos são feitos de uma bexiga que se infla para criar movimento. PAMs ainda são comuns em sistemas robóticos modernos, mas sofrem com tempos de resposta lentos e são pesados em configurações sem fio porque precisam de equipamentos extras.

#O Desenvolvimento dos Atuadores HASEL

Para melhorar os PAMs, novos tipos de músculos artificiais, como os atuadores HASEL, foram criados. HASELs funcionam combinando movimento de fluido com forças eletrostáticas. Eles são feitos de bolsas flexíveis preenchidas com um líquido e cobertas com eletrodos. Quando ativados, esses eletrodos comprimem o líquido dentro da bolsa, permitindo que o atuador se mova. Designs anteriores tinham problemas de controle devido aos materiais usados, mas melhorias levaram a atuadores mais duráveis e com melhor desempenho.

#Identificando o Problema

Um problema chave com robôs musculoesqueléticos é o uso de músculos que não esticam em configurações antagonistas, ou seja, músculos opostos de cada lado de uma articulação. Em um braço humano, quando os bíceps se contraem para mover o braço, os tríceps relaxam para permitir esse movimento. Robôs com músculos que não esticam têm dificuldade porque não conseguem relaxar para permitir o movimento.

Para permitir o movimento, pode-se introduzir algum relaxamento no Tendão do músculo oposto. No entanto, isso impõe limites a quanto o músculo pode se contrair e, assim, restringe o alcance de movimento. Essa é uma limitação de desempenho significativa.

#Uma Nova Solução

Para resolver isso, os pesquisadores sugerem adicionar embreagens eletrostáticas que funcionem junto com os músculos. Essas embreagens podem ajustar quanto movimento pode acontecer, permitindo rigidez variável. Quando combinadas com os músculos, elas podem desacoplar o músculo oposto durante a contração, permitindo um melhor movimento. As novas embreagens eletrostáticas são leves, flexíveis e rápidas, tornando-as uma boa escolha para uso com HASELs em um sistema robótico.

#Os Benefícios do Sistema Combinado

O novo sistema pode esticar e contrair efetivamente. Ao combinar atuadores HASEL com embreagens eletrostáticas, o design alcança um controlador eficaz do movimento das articulações. Essa combinação não é apenas benéfica para os atuadores HASEL; ela também pode funcionar com outros tipos de músculos artificiais não esticáveis.

#Design e Integração do Sistema

O design inclui um membro articulado conectado a uma articulação flexível. Os pacotes musculares HASEL estão conectados através de tendões. Quando ativados, os músculos podem ou se alongar para esticar ou contrair para criar movimento. A estratégia de controle coordena vários estados para cada unidade HASEL-embreagem, permitindo movimento suave.

#Como o Sistema Funciona Junto

Para um movimento eficaz, os sinais de controle para os atuadores e embreagens precisam estar em sincronia. As embreagens são alimentadas por um sinal de corrente alternada para otimizar a velocidade, enquanto os HASELs usam sinais de rampa para seu movimento. Essa sincronização é crucial para que o membro opere de forma eficiente.

#Configuração Experimental e Testes

Uma série de testes foram realizados usando amplificadores de alta voltagem para alimentar o sistema e medir os ângulos das articulações. Os resultados mostraram que o uso do sistema HASEL-embreagem permite um alcance significativamente maior de movimento em comparação com sistemas que usam apenas HASELs. O sistema combinado permitiu transições suaves e um maior grau de movimento.

#Quais Foram os Resultados?

Experimentos revelaram que o sistema combinado podia alcançar um alcance de movimento mais amplo. Com apenas HASELs, o sistema tinha movimento limitado, mas adicionar as embreagens melhorou significativamente o desempenho. O alcance de movimento aumentou em aproximadamente 58% ao usar a configuração HASEL-embreagem.

#Trabalho Futuro e Implicações

O trabalho realizado abre portas para mais pesquisas e melhorias em músculos artificiais. Há uma oportunidade de explorar como essa tecnologia pode ser adaptada e utilizada em várias aplicações robóticas. Entender como o sistema funciona com peso adicional pode fornecer mais informações sobre suas capacidades. Estudos futuros podem aplicar o conhecimento adquirido em diferentes configurações, potencialmente levando a inovações em robótica suave e design de músculos artificiais.

Esse novo design não só melhora as capacidades de movimento dos robôs, mas também prepara o terreno para futuros avanços no campo. As aplicações potenciais são amplas, incluindo robótica, próteses e além, destacando a importância da pesquisa e desenvolvimento contínuos na tecnologia de músculos artificiais.