Com um método mais eficiente de polinização artificial, os agricultores do futuro poderão cultivar frutas e vegetais dentro de armazéns de vários andares, aumentando a produtividade e, ao mesmo tempo, mitigando alguns dos impactos nocivos da agricultura no meio ambiente.

Para ajudar a tornar essa ideia uma realidade, pesquisadores do MIT estão desenvolvendo insetos robóticos que um dia poderão sair em enxame de colmeias mecânicas para realizar polinização precisa rapidamente. No entanto, mesmo os melhores robôs do tamanho de insetos não são páreo para polinizadores naturais como abelhas quando se trata de resistência, velocidade e manobrabilidade.

Agora, inspirados pela anatomia desses polinizadores naturais, os pesquisadores revisaram seu design para produzir pequenos robôs aéreos que são muito mais ágeis e duráveis do que as versões anteriores.

Os novos robôs podem pairar por cerca de 1.000 segundos, o que é mais de 100 vezes mais longo do que o demonstrado anteriormente. O inseto robótico, que pesa menos do que um clipe de papel, pode voar significativamente mais rápido do que robôs similares enquanto completa manobras acrobáticas como giros aéreos duplos.

O robô remodelado foi projetado para aumentar a precisão e a agilidade do voo, ao mesmo tempo em que minimiza o estresse mecânico nas flexões de suas asas artificiais, o que permite manobras mais rápidas, maior resistência e maior vida útil.

O novo design também tem espaço livre suficiente para que o robô possa carregar pequenas baterias ou sensores, o que lhe permitirá voar sozinho para fora do laboratório.

“A quantidade de voo que demonstramos neste artigo é provavelmente maior do que a quantidade total de voo que nosso campo foi capaz de acumular com esses insetos robóticos. Com a vida útil e a precisão melhoradas deste robô, estamos nos aproximando de algumas aplicações muito interessantes, como a polinização assistida”, diz Kevin Chen, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), chefe do Soft and Micro Robotics Laboratory dentro do Research Laboratory of Electronics (RLE) e autor sênior de um artigo de acesso aberto sobre o novo design.

Chen é acompanhado no artigo pelos coautores principais Suhan Kim e Yi-Hsuan Hsiao, que são estudantes de pós-graduação da EECS; bem como pelo estudante de pós-graduação da EECS Zhijian Ren e pelo estudante visitante de verão Jiashu Huang. A pesquisa aparece hoje na Science Robotics .

Versões anteriores do inseto robótico eram compostas de quatro unidades idênticas, cada uma com duas asas, combinadas em um dispositivo retangular do tamanho de um microcassete.

“Mas não há inseto que tenha oito asas. Em nosso antigo design, o desempenho de cada unidade individual era sempre melhor do que o do robô montado”, diz Chen.

Essa queda no desempenho foi causada em parte pela disposição das asas, que sopravam ar uma na outra ao bater, reduzindo as forças de sustentação que elas poderiam gerar.

O novo design corta o robô ao meio. Cada uma das quatro unidades idênticas agora tem uma asa batendo apontando para longe do centro do robô, estabilizando as asas e aumentando suas forças de sustentação. Com metade das asas, esse design também libera espaço para que o robô possa carregar eletrônicos.

Além disso, os pesquisadores criaram transmissões mais complexas que conectam as asas aos atuadores, ou músculos artificiais, que as batem. Essas transmissões duráveis, que exigiram o design de dobradiças de asa mais longas, reduzem a tensão mecânica que limitava a resistência das versões anteriores.

“Comparado ao antigo robô, agora podemos gerar um torque de controle três vezes maior do que antes, e é por isso que podemos fazer voos de localização de trajetória muito sofisticados e precisos”, diz Chen.

No entanto, mesmo com essas inovações de design, ainda há uma lacuna entre os melhores insetos robóticos e a coisa real. Por exemplo, uma abelha tem apenas duas asas, mas pode realizar movimentos rápidos e altamente controlados.

“As asas das abelhas são finamente controladas por um conjunto muito sofisticado de músculos. Esse nível de ajuste fino é algo que realmente nos intriga, mas ainda não conseguimos replicar”, ele diz.

O movimento das asas do robô é impulsionado por músculos artificiais. Esses pequenos e macios atuadores são feitos de camadas de elastômero intercaladas entre dois eletrodos de nanotubos de carbono muito finos e então enrolados em um cilindro macio. Os atuadores rapidamente se comprimem e alongam, gerando força mecânica que bate as asas.

Em designs anteriores, quando os movimentos do atuador alcançam as frequências extremamente altas necessárias para o voo, os dispositivos geralmente começam a entortar. Isso reduz a potência e a eficiência do robô. As novas transmissões inibem esse movimento de entortamento, o que reduz a tensão nos músculos artificiais e permite que eles apliquem mais força para bater as asas.

Outro novo design envolve uma longa dobradiça de asa que reduz o estresse torcional experimentado durante o movimento de bater as asas. Fabricar a dobradiça, que tem cerca de 2 centímetros de comprimento, mas apenas 200 mícrons de diâmetro, estava entre seus maiores desafios.

“Se você tiver um pequeno problema de alinhamento durante o processo de fabricação, a dobradiça da asa ficará inclinada em vez de retangular, o que afeta a cinemática da asa”, diz Chen.

Depois de muitas tentativas, os pesquisadores aperfeiçoaram um processo de corte a laser em várias etapas que lhes permitiu fabricar com precisão cada dobradiça da asa.

Com todas as quatro unidades instaladas, o novo inseto robótico pode pairar por mais de 1.000 segundos, o que equivale a quase 17 minutos, sem mostrar qualquer degradação na precisão do voo.

“Quando meu aluno Nemo estava realizando aquele voo, ele disse que foram os 1.000 segundos mais lentos que ele passou em toda a sua vida. O experimento foi extremamente estressante”, diz Chen.

O novo robô também atingiu uma velocidade média de 35 centímetros por segundo, o voo mais rápido que pesquisadores relataram, enquanto realizava giros de corpo e giros duplos. Ele pode até mesmo rastrear precisamente uma trajetória que soletra MIT.

“No final das contas, mostramos um voo 100 vezes mais longo do que qualquer outro na área conseguiu fazer, então este é um resultado extremamente empolgante”, diz ele.

A partir daqui, Chen e seus alunos querem ver até onde podem levar esse novo design, com o objetivo de conseguir voar por mais de 10.000 segundos.

Eles também querem melhorar a precisão dos robôs para que eles possam pousar e decolar do centro de uma flor. A longo prazo, os pesquisadores esperam instalar pequenas baterias e sensores nos robôs aéreos para que eles possam voar e navegar fora do laboratório.

“Esta nova plataforma de robô é um grande resultado do nosso grupo e leva a muitas direções empolgantes. Por exemplo, incorporar sensores, baterias e capacidades de computação neste robô será um foco central nos próximos três a cinco anos”, diz Chen.

Esta pesquisa é financiada, em parte, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA e uma bolsa Mathworks.