Robô Saltador de 30 Metros da UC Santa Barbara Estabelece Novo Recorde de Altura

Um saltador mecânico desenvolvido pelo professor de engenharia da University of California Santa Barbara Elliot Hawkes e colaboradores é capaz de atingir a maior altura — aproximadamente 100 pés (30 metros) — de qualquer saltador até à data, engenhado ou biológico. O feito representa uma abordagem fresca ao design de dispositivos saltadores e avança a compreensão do salto como forma de locomoção.

"A motivação veio de uma questão científica," disse Hawkes, que como roboticista procura compreender os muitos métodos possíveis para uma máquina navegar no seu ambiente. "Queríamos compreender quais eram os limites em saltadores engenhados." Embora haja séculos de estudos sobre saltadores biológicos (seríamos nós no reino animal), e décadas de pesquisa em saltadores mecânicos maioritariamente bio-inspirados, disse ele, as duas linhas de investigação foram mantidas algo separadas. "Não houve realmente estudo que compare e contraste os dois e como os seus limites são diferentes — se saltadores engenhados estão realmente limitados às mesmas leis que saltadores biológicos," disse ele.

Sistemas biológicos serviram longamente como primeiros e melhores modelos para locomoção, e isso tem sido especialmente verdade para salto, definido pelos investigadores como "movimento criado por forças aplicadas ao solo pelo saltador, mantendo massa constante." Muitos saltadores engenhados focaram em duplicar designs fornecidos pela evolução, e com grande efeito.

Mas os elementos que criam salto num sistema biológico podem ser limitantes para sistemas engenhados, disse Charles Xaio, candidato Ph.D. no lab de Hawkes.

"Sistemas biológicos só podem saltar com tanta energia quanto podem produzir num único golpe do seu músculo," Xaio disse. Assim, o sistema é limitado na quantidade de energia que pode dar a empurrar o corpo do chão, e o saltador só pode saltar até certo ponto.

Para saltadores engenhados, no entanto, os investigadores pensaram que poderia haver forma de aumentar a quantidade de energia disponível.

Usam motores que ratchet ou rotacionam para dar muitos golpes, multiplicando a quantidade de energia que podem armazenar na mola. Os investigadores chamaram esta capacidade "multiplicação de trabalho," que pode ser encontrada em saltadores engenhados de todas as formas e tamanhos.

"Esta diferença entre produção de energia em saltadores biológicos versus engenhados significa que os dois devem ter designs muito diferentes para maximizar altura de salto," Xiao disse. Animais devem ter mola pequena — apenas suficiente para armazenar a quantidade relativamente pequena de energia produzida pelo seu único golpe muscular — e grande massa muscular. Em contraste, saltadores engenhados devem ter mola o maior possível e motor minúsculo."

Os investigadores pegaram nestes insights e desenharam um saltador bastante diferente de saltadores biológicos — o tamanho da sua mola relativo ao seu motor é quase 100x maior que o encontrado em animais. Além disso, criaram nova mola, procurando maximizar armazenamento de energia por unidade de massa. Na sua mola híbrida tensão-compressão, arcos de compressão de fibra de carbono são comprimidos enquanto bandas de borracha são esticadas pelo puxar de uma linha enrolada num spindle motor-driven. A equipa descobriu que ligar as bordas exteriores dos arcos através do meio com borracha em tensão também melhorou a força da mola.

"Surpreendentemente, a borracha torna o arco de compressão da mola mais forte," Hawkes disse. "Pode comprimir a mola mais sem ela quebrar."

O saltador é desenhado para ser leve, com mecanismo de latching minimalista para libertar energia para o salto, e também aerodinâmico, com pernas a dobrar para minimizar arrasto de ar durante voo. Juntas, estas funcionalidades de design permitem acelerar de 0 a 60 mph em 9 milissegundos — força de aceleração de 315g — e atingir a altura de aproximadamente 100 pés nas demonstrações dos investigadores. Para saltadores motor-driven, isto é "perto do limite viável de altura de salto com materiais atualmente disponíveis," segundo o estudo.

Este design e a capacidade de exceder limites definidos por designs biológicos abre caminho para reimaginar salto como forma eficiente de locomoção de máquina. Robôs saltadores poderiam chegar a lugares onde só robôs voadores chegam atualmente.

Os benefícios seriam ainda mais pronunciados fora da Terra. Robôs saltadores poderiam viajar através da Lua ou planetas eficientemente, sem lidar com obstáculos na superfície, enquanto também acedem a funcionalidades e perspetivas que não podem ser alcançadas por robôs baseados em terreno.

"Calculámos que o dispositivo deve ser capaz de ultrapassar 125 metros de altura enquanto salta meio quilómetro para frente na Lua," disse Hawkes, apontando que gravidade da Lua é 1/6 da Terra e que basicamente não há arrasto de ar. "Isso seria um salto gigante para saltadores engenhados."