Robôs de enxame de quatro patas atravessam terreno difícil — juntos

Nos primeiros dias de quarentena, o professor de Notre Dame e engenheiro de robótica Yasemin Ozkan-Aydin usou o tempo em casa para montar robôs.

Ozkan-Aydin desenvolveu sistemas colaborativos de pernas que manobram em terrenos complexos — como uma equipe.

Para se movimentar em terrenos acidentados e em espaços apertados, Ozkan-Aydin propôs que uma conexão física entre robôs poderia melhorar a mobilidade. Se um robô individual, por exemplo, não pode mover um objeto sozinho, por que não fazer com que os robôs formem um sistema maior e com várias pernas para completar a tarefa?

Afinal, é isso que as formigas fazem.



“Quando as formigas coletam ou transportam objetos, se alguém se deparar com um obstáculo, o grupo trabalha coletivamente para superar esse obstáculo. Se houver uma lacuna no caminho, por exemplo, elas formarão uma ponte para que as outras formigas possam atravessar – e essa é a inspiração para este estudo”, disse Ozkan-Aydin em um recente comunicado à imprensa . “Através da robótica, podemos entender melhor a dinâmica e os comportamentos coletivos desses sistemas biológicos e explorar como podemos usar esse tipo de tecnologia no futuro.”

Com uma impressora 3D, Ozkan-Aydin construiu robôs de quatro patas de 15 a 20 centímetros de comprimento.

Cada robô incluía uma bateria de polímero de lítio, um microcontrolador e três sensores. Junto com um sensor de luz, dois sensores de toque magnético na frente e atrás de cada robô permitem que os sistemas se conectem.

Quatro pernas flexíveis reduziram a necessidade de sensores e peças adicionais e deram aos robôs um nível de inteligência mecânica, o que ajudou na interação com terrenos acidentados ou irregulares.

“Você não precisa de sensores adicionais para detectar obstáculos porque a flexibilidade nas pernas ajuda o robô a passar por eles”, disse Ozkan-Aydin. “Eles podem testar lacunas em um caminho, construindo uma ponte com seus corpos; mover objetos individualmente; ou conecte-se para mover objetos coletivamente em diferentes tipos de ambientes, não muito diferentes das formigas.”

Ozkan-Aydin começou sua pesquisa para o estudo no início de 2020, quando grande parte do país foi fechada devido à pandemia de COVID-19. Depois de imprimir cada robô, Ozkan-Aydin testou os sistemas inspirados em insetos em seu quintal ou no playground com seu filho.

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O professor de Notre Dame conduziu experimentos em uma variedade de terrenos, tanto naturais quanto manufaturados. Os robôs manobravam através e ao redor de grama, cobertura morta, folhas e bolotas, bem como escadas de espuma, carpetes felpudos e o terreno acidentado de blocos retangulares de madeira colados a painéis de partículas.

Quando uma unidade individual fica presa, ela envia uma luz para robôs adicionais para mostrar um pedido de assistência. Ao sentir a luz, os robôs auxiliares se conectam e fornecem suporte - um empurrão enquanto caminham juntos - para atravessar obstáculos com sucesso enquanto trabalham coletivamente.

"Depois que o robô auxiliar encontra o robô pesquisador seguindo o gradiente de luz, ele é conectado a ele pela parte de trás e pelos sensores de toque em ambos os robôs e informa o robô sobre o estado da conexão", disse o Prof. Ozkan-Aydin ao Resumos técnicos .

A equipe de pesquisa publicou recentemente seus resultados na Science Robotics .

As próximas pesquisas se concentrarão na melhoria das capacidades de controle, detecção e energia do sistema.

Em uma breve sessão de perguntas e respostas com Resumos técnicos abaixo, Ozkan-Aydin explica o que os enxames podem fazer quando esses recursos são avançados.

Resumos técnicos :como funcionam os sensores de toque magnético — o que eles fazem, como são controlados?

Yasemin Ozkan-Aydin :Cada robô tem dois conectores magnéticos, que incluem dois ímãs de terras raras de neodímio com polaridade N-S, na frente e atrás do robô. O conector magnético na parte de trás está preso à cauda e sua polaridade pode ser invertida (S-N) movendo a cauda para cima. Assim, quando a cauda está para cima, dois robôs podem se conectar e quando a cauda está para baixo, eles podem se separar.

Resumos técnicos : Quando um sinal de “ajuda” é enviado a um robô, como o robô de ajuda sabe o que fazer e quais ações tomar?

Yasemin Ozkan-Aydin :O sinal de ajuda — acendendo a luz LED brilhante na parte de trás do robô — é enviado para os robôs auxiliares quando o robô buscador fica preso em escadas ou terrenos acidentados. O [status] preso é detectado pela intensidade da luz medida pelo robô de busca. Quando o robô fica preso, ele não pode se mover em direção ao alvo (fonte de luz) e a intensidade da luz não muda. Os robôs auxiliares sempre aguardam o sinal do robô pesquisador.

Claro, existem limitações em nosso sistema. Por exemplo, se um robô auxiliar cair fora do raio de um robô pesquisador, o robô auxiliar não poderá encontrá-lo. No projeto futuro, a comunicação entre robôs deve ser aprimorada usando outros tipos de sensores, como GPS. No entanto, à medida que a complexidade do sistema aumenta, os robôs se tornam mais difíceis de controlar. Aqui, a inteligência mecânica desempenha um papel importante.

Resumos técnicos :O que significa “inteligência mecânica” aqui? Como exatamente eles interagem? O que acontece quando um robô fica preso em um obstáculo? Como um sinal é enviado para robôs adicionais?

Yasemin Ozkan-Aydin :Inteligência mecânica significa que um mecanismo responde ao ambiente, adapta-se a novas situações externas ou executa automaticamente algumas funções sem qualquer feedback sensorial ou orientação de um controlador. Cada robô tem quatro pernas direcionalmente flexíveis e uma cauda. Quando a perna, ou cauda, ​​atinge um obstáculo, ela se inclina para trás e cruza os obstáculos. Após passar o obstáculo, uma mola de retorno puxa a perna para sua posição original. Essa flexão passiva também aumenta a área de contato, o que permite que uma perna individual ou a cauda lide com uma mudança de rugosidade do terreno, perdendo o contato com o solo durante a fase de apoio ou pisando ou batendo em um obstáculo durante a fase aérea.

Todos os robôs têm dois interruptores como sensores de toque para detectar o estado da conexão:um na frente e outro na parte traseira do robô. Quando dois robôs estão conectados, o empurrador em forma de cúpula preso à cauda toca os sensores na cauda do robô dianteiro e na cabeça do robô traseiro. Embora não haja comunicação de alto nível (por exemplo, envio de coordenadas GPS sem fio) entre robôs, os sensores de toque permitem que cada robô saiba se está conectado com os outros robôs. Além dos sensores de toque, há um sensor de luz, ou fototransistor, na parte inferior frontal de cada robô. Este sensor é utilizado para medir a intensidade luminosa do ambiente e para fornecer comunicação local entre os robôs.

Resumos técnicos :você poderia ampliar uma ou duas das aplicações práticas do mundo real — o que o enxame poderia realizar e como?

Yasemin Ozkan-Aydin :Enxame de robôs com pernas podem realizar tarefas cooperativas do mundo real, como operações de busca e salvamento, aplicações agrícolas (como plantio e colheita, monitoramento ambiental e inspeção de colheitas, etc.), transporte coletivo de objetos e exploração espacial.

Resumos técnicos :Em relação a alimentá-los, você poderia imaginar algum tipo de coleta de energia, digamos, com base no movimento?

Yasemin Ozkan-Aydin :Este é um ponto muito importante que precisa ser melhorado no design futuro. Talvez um mecanismo de coleta de energia (como materiais piezoelétricos) possa ser anexado às pernas dos robôs, e eles possam coletar energia durante a caminhada, ou cada robô possa ter um painel solar para carregar suas baterias. Outra opção é que apenas um dos robôs possa ser equipado com um mecanismo de captação de energia, para reduzir o custo total, podendo transmitir a energia para os demais robôs.

Resumos técnicos :O que inspirou esse esforço, especialmente os modelos naturais?

Yasemin Ozkan-Aydin :Este estudo é inspirado em animais multipatas, como centopéias ou milípedes, que podem se mover efetivamente em diversos terrenos com corpos e membros flexíveis e coletivos de formigas que podem se auto-organizar e criar estruturas, como pontes, para resolver problemas.

Resumos técnicos :Como você pretende melhorar os robôs?

Yasemin Ozkan-Aydin :Atualmente, os robôs são limitados pelo alcance de comunicação limitado. Com a melhoria da comunicação entre os indivíduos, esperamos que as unidades (quadrúpedes) do enxame possam se coordenar adequadamente e mudar seus passos de acordo com as condições ambientais ou tarefas que executam. Além disso, as dimensões dos robôs podem ser dimensionadas de acordo com as tarefas a serem executadas.

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