Engenheiros de Stanford Criam Robô Inspirado em Pássaros que Pousa com Precisão

Assim como flocos de neve, não existem dois galhos iguais. Eles podem diferir em tamanho, forma e textura; alguns podem estar molhados, cobertos de musgo ou cheios de ramificações. Ainda assim, os pássaros conseguem pousar em praticamente qualquer um deles. Essa capacidade despertou grande interesse nos laboratórios dos engenheiros de Stanford Mark Cutkosky e David Lentink — este último agora na Universidade de Groningen, nos Países Baixos —, que desenvolvem tecnologias inspiradas em habilidades animais.

“Não é fácil imitar como os pássaros voam e pousam”, disse William Roderick, PhD ’20, que foi aluno de doutorado em ambos os laboratórios. “Após milhões de anos de evolução, eles fazem a decolagem e o pouso parecerem fáceis, mesmo diante de toda a complexidade e variabilidade dos galhos de árvores que se encontram em uma floresta.”

Anos de estudo sobre robôs inspirados em animais no Laboratório Cutkosky e sobre robôs aéreos inspirados em pássaros no Laboratório Lentink permitiram que os pesquisadores construíssem seu próprio robô de pouso. Quando acoplado a um drone quadricóptero, seu “grasper aéreo inspirado na natureza estereotipado”, ou SNAG, forma um robô que pode voar, capturar e transportar objetos e pousar em diversas superfícies. Demonstrando a versatilidade potencial deste trabalho, os pesquisadores o utilizaram para comparar diferentes tipos de arranjos dos dedos das aves e para medir microclimas em uma floresta remota no Oregon.

Estudos anteriores com periquitos

Em estudos anteriores dos pesquisadores com periquitos — a segunda menor espécie de papagaio —, as pequenas aves voavam de ida e volta entre poleiros especiais, enquanto eram gravadas por cinco câmeras de alta velocidade. Os poleiros — representando uma variedade de tamanhos e materiais, incluindo madeira, espuma, lixa e Teflon — também continham sensores que capturavam as forças físicas associadas aos pousos, poleiros e decolagens das aves.

“O que nos surpreendeu foi que eles realizavam as mesmas manobras aéreas, independentemente das superfícies em que pousavam”, disse Roderick, autor principal do artigo. “Eles deixavam que os pés lidassem com a variabilidade e complexidade da textura da superfície.” Esse comportamento fórmula observado em todo pouso de pássaro é o motivo pelo qual o “S” em SNAG significa “estereotipado”.

Como o SNAG funciona

Assim como os periquitos, o SNAG aborda cada pouso da mesma maneira. No entanto, para levar em conta o tamanho do quadricóptero, o SNAG baseia-se nas pernas de um falcão-peregrino. No lugar de ossos, possui uma estrutura impressa em 3D — que levou 20 iterações para ser aperfeiçoada — e motores e linha de pesca substituem músculos e tendões.

Cada perna tem seu próprio motor para mover-se para frente e para trás e outro para controlar a preensão. Inspirado na forma como os tendões contornam o tornozelo nas aves, um mecanismo semelhante na perna do robô absorve a energia do impacto do pouso e a converte passivamente em força de preensão. O resultado é que o robô possui uma embreagem especialmente forte e de alta velocidade que pode ser acionada para fechar em 20 milissegundos. Uma vez enrolado em um galho, os tornozelos do SNAG travam e um acelerômetro no pé direito informa que o robô pousou, acionando um algoritmo de equilíbrio para estabilizá-lo.

Testes durante a pandemia

Durante a COVID-19, Roderick transferiu equipamentos, incluindo uma impressora 3D, do laboratório de Lentink em Stanford para o Oregon rural, onde montou um laboratório no porão para testes controlados. Lá, ele lançou o SNAG ao longo de um sistema de trilhos que projetava o robô em diferentes superfícies, em velocidades e orientações predefinidas, para ver como ele se saía em vários cenários. Com o SNAG fixo, Roderick também confirmou a capacidade do robô de capturar objetos arremessados à mão, incluindo um manequim de presa, um saco de feijão e uma bola de tênis. Por fim, Roderick e o SNAG aventuraram-se na floresta próxima para testes no mundo real.

No geral, o SNAG funcionou tão bem que os próximos passos no desenvolvimento provavelmente se concentrarão no que acontece antes do pouso, como melhorar a consciência situacional e o controle de voo do robô.

Aplicações

Existem inúmeras aplicações possíveis para este robô, incluindo busca e resgate e monitoramento de incêndios florestais; ele também pode ser acoplado a tecnologias além de drones. A proximidade do SNAG com as aves também permite insights únicos sobre a biologia aviária. Por exemplo, os pesquisadores testaram o robô com dois arranjos diferentes de dedos — anisodáctilo, que tem três dedos à frente e um atrás, como um falcão-peregrino, e zigodáctilo, que tem dois dedos à frente e dois atrás, como um periquito. Para sua surpresa, descobriram que havia pouca diferença de desempenho entre os dois.

Para Roderick, cujos pais são biólogos, uma das aplicações mais empolgantes para o SNAG é a pesquisa ambiental. Para esse fim, os pesquisadores também acoplaram um sensor de temperatura e umidade ao robô, que Roderick usou para registrar o microclima no Oregon.

“Parte da motivação subjacente deste trabalho era criar ferramentas que pudéssemos usar para estudar o mundo natural”, disse Roderick. “Se pudéssemos ter um robô que agisse como um pássaro, isso poderia abrir formas completamente novas de estudar o ambiente.”