A maioria dos robôs é construída para se parecer com alguma coisa. Os engenheiros que projetam máquinas para navegar no mundo actual têm, durante décadas, buscado os mesmos pontos de referência: o esqueleto humano, o trote quadrúpede do cachorro, o rastejamento do inseto. Esses modelos biológicos produziram máquinas impressionantes, mas carregam a suposição de que um robô precisa de uma frente, uma traseira e uma direção preferencial de deslocamento. Uma equipe do Laboratório Geral de Robótica da Duke College desafiou agora essa suposição diretamente, e o resultado é uma máquina que se parece diferente de tudo em um catálogo de robótica e, mais importante, se transfer de maneira diferente de tudo que veio antes dela.
O robô omnidirecional de Duke sem frente ou trás
O robô se chama Argus, em homenagem ao gigante que tudo vê da mitologia grega, e o nome se encaixa. Ele tem 20 pernas telescópicas modulares que irradiam para fora de um núcleo central, cada uma com uma câmera de profundidade na ponta, proporcionando um campo de visão esférico quase completo. Não há frente, nem atrás, nem topo, nem fundo. Ele pode andar, rolar, escalar, estabilizar e manipular objetos em qualquer direção sem precisar virar ou reorientar-se primeiro. O trabalho, liderado pelo professor de engenharia Boyuan Chen ao lado do estudante de doutorado Jiaxun Liu e do pesquisador de pós-doutorado Boxi Xia, foi publicado na revista Robótica Científica.
O princípio de design por trás do Argus e o que ele realmente mede
A base conceitual do Argus é um princípio de design que a equipe desenvolveu, denominado isotropia dinâmica. Em vez de perguntar como deveria ser um robô, o princípio pergunta quão uniformemente ele pode acelerar em todas as direções do espaço. A equipe quantificou isso como uma pontuação de 0 a 1, onde 1 representa uma máquina teoricamente perfeita que pode impulsionar em qualquer direção com força exatamente igual. De acordo com o estudo publicado, os robôs mais avançados em uso atualmente, incluindo quadrúpedes de última geração, robôs humanóides e drones convencionais, pontuam abaixo de 0,6 nesta medida. Argus pontua 0,91, aproximando-se do teto teórico. Como disse Chen: “Quando um robô consegue acelerar igualmente bem em todas as direções, ele deixa de precisar encarar o mundo de uma maneira específica. Esquerda e direita tornam-se iguais. Todo o problema do controle do robô muda de caráter.”
Por que a geometria do dodecaedro de Argus produz uma simetria de movimento quase perfeita
Chegar a essa pontuação de 0,91 exigiu primeiro a resolução de um problema de geometria. A equipe executou mais de 1.500 configurações simuladas de robôs para identificar qual arranjo de pernas se aproximava mais de seu máximo teórico. O projeto vencedor colocou 20 pernas idênticas acionadas por cabos nos vértices de um dodecaedro common, um sólido geométrico tridimensional com 12 faces pentagonais. Este arranjo produz uma distribuição quase perfeitamente uniforme de força e cobertura visible em todas as direções. Cada perna é telescópica e acionada por cabo, o que significa que pode se estender e retrair para empurrar superfícies, e cada uma carrega sua própria câmera de profundidade para que a percepção do robô corresponda ao seu alcance físico em todas as direções simultaneamente. O resultado parece menos uma máquina e mais um ouriço-do-mar, o que não é coincidência. O estudo observa explicitamente a semelhança, e a geometria por trás dela é o mesmo princípio que dá aos ouriços-do-mar a sua notável consistência mecânica.
Argus navegou por florestas, areia e superfícies molhadas em testes do mundo actual
Construir um robô com bom desempenho em simulação é uma coisa; a equipe da Duke testou extensivamente o Argus no mundo actual, executando-o no campus da Duke e nos arredores. De acordo com o estudo, o Argus rolou sobre concreto, grama, folhagem densa, areia fofa, superfícies molhadas e cascas de árvores sem perder estabilidade, independentemente de sua orientação. Ele eliminou obstáculos de até 12 centímetros de altura. Ele escalou verticalmente entre duas paredes paralelas próximas, apoiando-se e empurrando alternadamente com diferentes subconjuntos de suas pernas. Ele carregava uma carga útil de cinco quilos quase a toda velocidade e empurrava um grande cubo ao redor de um espaço enquanto rolava continuamente. O estudante de doutorado Jiaxun Liu, coautor do artigo, disse: “A primeira vez que o vimos navegar entre árvores e terrenos acidentados, mesmo sob fortes colisões, sabíamos que period algo diferente”.
Como Argus continua se movendo mesmo quando suas pernas quebram ou seus motores falham
Uma das descobertas práticas mais significativas da pesquisa diz respeito à resiliência do robô a danos. Como cada uma de suas 20 pernas contribui apenas com uma fração da locomoção complete e como o projeto distribui a força uniformemente, em vez de depender de um pequeno número de membros críticos, o Argus continua a funcionar mesmo quando um ou mais motores falham ou uma perna é quebrada. Esta não é uma vantagem menor. A maioria dos robôs com menos membros enfrenta uma degradação significativa da capacidade ou falha completa quando uma articulação importante é perdida. A arquitetura do Argus torna-o estruturalmente tolerante a falhas parciais de uma forma que reflete a mesma matemática que o torna omnidirecional: nada é tão dominante que perdê-lo quebre o sistema.
O futuro da robótica além dos modelos de design biológico
A equipe deixa claro que o Argus é uma prova de conceito e não um produto acabado, mas as implicações para o design da robótica são substanciais. O pesquisador de pós-doutorado Boxi Xia observou que o robô prova que a simetria dinâmica não é apenas um exercício teórico; produz uma máquina implantável capaz de enfrentar desafios do mundo actual. Chen descreveu Argus como o primeiro membro do que ele considera uma família mais ampla de máquinas dinamicamente simétricas: “Robôs que não precisam imitar cães ou humanos para serem ágeis, resistentes e úteis.“Os pesquisadores também modelaram projetos com até 40 pernas que pontuam ainda mais alto em isotropia dinâmica, embora estes permaneçam impraticáveis como protótipos por enquanto, dada a complexidade mecânica adicional. A arquitetura dodecaédrica do Argus, no entanto, fica em um ponto de inflexão útil, complexo o suficiente para se aproximar do very best teórico, simples o suficiente para realmente ser construído e testado em campo.
