Robô saltador salta para registrar alturas

Um jumper mecânico desenvolvido pelo professor de engenharia Elliot Hawkes e colaboradores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara é capaz de atingir a altura mais alta – cerca de 30 metros – de qualquer jumper até hoje, projetado ou biológico. A façanha representa uma nova abordagem para o design de dispositivos de salto e avança a compreensão do salto como uma forma de locomoção.

“A motivação veio de uma questão científica”, disse Hawkes, que como roboticista busca entender os muitos métodos possíveis para uma máquina poder navegar em seu ambiente. “Queríamos entender quais eram os limites dos jumpers projetados.” Embora existam séculos de estudos sobre jumpers biológicos (que seríamos nós no reino animal) e décadas de pesquisa sobre jumpers mecânicos de inspiração biológica, disse ele, as duas linhas de investigação foram mantidas um pouco separadas. “Não havia realmente um estudo que comparasse e contrastasse os dois e como seus limites são diferentes – se os jumpers projetados são realmente limitados às mesmas leis que os jumpers biológicos são”, disse ele.

Os sistemas biológicos servem há muito tempo como os primeiros e melhores modelos de locomoção, e isso tem sido especialmente verdadeiro para o salto, definido pelos pesquisadores como um “movimento criado por forças aplicadas ao solo pelo saltador, mantendo uma massa constante”. Muitos jumpers projetados se concentraram em duplicar os designs fornecidos pela evolução e com grande efeito.

Mas os elementos que criam um salto em um sistema biológico podem ser limitantes para sistemas de engenharia, disse Charles Xaio, Ph.D. candidato no laboratório de Hawkes.

“Os sistemas biológicos só podem saltar com tanta energia quanto podem produzir em um único golpe de seu músculo”, disse Xaio. Assim, o sistema é limitado na quantidade de energia que pode fornecer para empurrar o corpo do chão, e o saltador só pode saltar tão alto.

Para jumpers projetados, no entanto, os pesquisadores pensaram que poderia haver uma maneira de aumentar a quantidade de energia disponível.

Eles usam motores que giram ou giram para dar muitos golpes, multiplicando a quantidade de energia que podem armazenar em sua mola. Os pesquisadores chamaram essa habilidade de “multiplicação de trabalho”, que pode ser encontrada em jumpers projetados de todas as formas e tamanhos.

“Essa diferença entre a produção de energia em jumpers biológicos versus projetados significa que os dois devem ter designs muito diferentes para maximizar a altura do salto”, disse Xiao. Os animais devem ter uma pequena mola – apenas o suficiente para armazenar a quantidade relativamente pequena de energia produzida por seu único movimento muscular – e uma grande massa muscular. Em contraste, os jumpers projetados devem ter uma mola tão grande quanto possível e um motor minúsculo”.

Os pesquisadores pegaram esses insights e projetaram um jumper bem diferente dos jumpers biológicos – o tamanho de sua mola em relação ao seu motor é quase 100 vezes maior do que o encontrado em animais. Além disso, eles criaram uma nova mola, buscando maximizar seu armazenamento de energia por unidade de massa. Em sua mola híbrida de tensão-compressão, os arcos de compressão de fibra de carbono são esmagados enquanto os elásticos são esticados pela tração de uma linha enrolada em torno de um eixo acionado por motor. A equipe descobriu que ligar as bordas dobradas para fora dos arcos no meio com borracha em tensão também melhorou a força da mola.

“Surpreendentemente, a borracha torna a mola de compressão mais forte”, disse Hawkes. “Você pode comprimir ainda mais a mola sem que ela se quebre.”

O jumper foi projetado para ser leve, com um mecanismo de trava minimalista para liberar a energia para o salto, e também aerodinâmico, com as pernas dobradas para minimizar o arrasto do ar durante o voo. Ao todo, esses recursos de design permitem acelerar de 0 a 60 mph em 9 milissegundos - uma força de aceleração de 315g - e atingir a altura de aproximadamente 100 pés nas demonstrações dos pesquisadores. Para saltadores motorizados, isso está “próximo do limite viável de altura de salto com os materiais atualmente disponíveis”, de acordo com o estudo.

Esse design e a capacidade de ultrapassar os limites estabelecidos pelos designs biológicos preparam o terreno para a reinvenção do salto como uma forma eficiente de locomoção de máquinas. Robôs saltadores podem chegar a lugares onde apenas robôs voadores chegam atualmente.

Os benefícios seriam ainda mais pronunciados fora da Terra. Robôs saltadores podem viajar pela lua ou planetas com eficiência, sem lidar com obstáculos na superfície, enquanto também acessam recursos e perspectivas que não podem ser alcançados por robôs baseados em terreno.

“Calculamos que o dispositivo deve ser capaz de atingir 125 metros de altura enquanto salta meio quilômetro para a frente na lua”, disse Hawkes, apontando que a gravidade da lua é 1/6 da gravidade da Terra e que basicamente não há resistência do ar. “Isso seria um salto gigante para os saltadores projetados.”