Os últimos anos testemunharam avanços significativos no campo da robótica em microescala, expandindo os limites do que é possível no nível miniatura. Esses avanços abriram caminho para potenciais avanços em áreas que vão de aplicações médicas a monitoramento ambiental. Nesse cenário de inovação, pesquisadores da Universidade Cornell fizeram uma contribuição notável, desenvolvendo robôs em microescala que podem transformar sua forma sob comando.
A equipe, liderada pelo Professor Itai Cohen do Departamento de Física de Cornell, criou robôs com menos de um milímetro de tamanho que podem mudar de uma forma plana e bidimensional para várias formas tridimensionais. Este desenvolvimento, detalhado em um artigo publicado em Materiais da Naturezarepresenta um salto significativo nas capacidades dos sistemas robóticos em microescala.
Aplicação de técnicas de Kirigami em engenharia robótica
No cerne dessa descoberta está uma aplicação inovadora dos princípios do kirigami ao design robótico. O kirigami, uma variação do origami que envolve cortar e dobrar papel, inspirou engenheiros a criar estruturas que podem mudar de forma de maneiras precisas e previsíveis.
No contexto desses robôs em microescala, as técnicas de kirigami permitem a incorporação de cortes e dobras estratégicas no materials. Essa abordagem de design permite que os robôs se transformem de um estado plano em configurações tridimensionais complexas, garantindo a eles versatilidade sem precedentes no nível de microescala.
Os pesquisadores apelidaram sua criação de “robô metasheet”. O termo “meta” aqui se refere a metamateriais – materiais projetados com propriedades não encontradas em substâncias naturais. Neste caso, a metasheet é composta de vários blocos de construção trabalhando em conjunto para produzir comportamentos mecânicos únicos.
Este design de metasheet permite que o robô altere sua área de cobertura e expanda ou contraia localmente em até 40%. A capacidade de adotar várias formas potencialmente permite que esses robôs interajam com seu ambiente de maneiras antes inatingíveis nessa escala.
Especificações técnicas e funcionalidade
O robô em microescala é construído como um revestimento hexagonal composto de aproximadamente 100 painéis de dióxido de silício. Esses painéis são interconectados por mais de 200 dobradiças atuantes, cada uma medindo cerca de 10 nanômetros de espessura. Esse arranjo intrincado de painéis e dobradiças forma a base das capacidades de mudança de forma do robô.
A transformação e o movimento desses robôs são obtidos por meio de ativação eletroquímica. Quando uma corrente elétrica é aplicada por meio de fios externos, ela aciona as dobradiças de atuação para formar dobras de montanha e vale. Essa atuação faz com que os painéis se abram e girem, permitindo que o robô mude sua forma.
Ao ativar seletivamente diferentes dobradiças, o robô pode adotar várias configurações. Isso permite que ele potencialmente se envolva em torno de objetos ou se desdobre de volta em uma folha plana. A capacidade de rastejar e mudar de forma em resposta a estímulos elétricos demonstra um nível de controle e versatilidade que diferencia esses robôs de designs anteriores em microescala.
Aplicações e implicações potenciais
O desenvolvimento desses robôs em microescala que mudam de forma abre uma infinidade de aplicações potenciais em vários campos. No reino da medicina, esses robôs podem revolucionar procedimentos minimamente invasivos. Sua capacidade de mudar de forma e navegar por estruturas corporais complexas pode torná-los inestimáveis para administração direcionada de medicamentos ou microcirurgia.
No campo da ciência ambiental, esses robôs poderiam ser implantados para monitoramento em microescala de ecossistemas ou poluentes. Seu pequeno tamanho e adaptabilidade permitiriam que eles acessassem e interagissem com ambientes que atualmente são difíceis de estudar.
Além disso, na ciência de materiais e na manufatura, esses robôs podem servir como blocos de construção para micromáquinas reconfiguráveis. Isso pode levar ao desenvolvimento de materiais adaptáveis que podem mudar suas propriedades sob demanda, abrindo novas possibilidades em campos como engenharia aeroespacial ou têxteis inteligentes.
Direções futuras da pesquisa
A equipe de Cornell já está olhando para a próxima fase desta tecnologia. Uma through de pesquisa empolgante é o desenvolvimento do que eles chamam de materiais “elastrônicos”. Eles combinariam estruturas mecânicas flexíveis com controladores eletrônicos, criando materiais ultra-responsivos com propriedades que superam qualquer coisa encontrada na natureza.
O professor Cohen prevê materiais que podem responder a estímulos de maneiras programadas. Por exemplo, quando submetidos à força, esses materiais podem “fugir” ou empurrar de volta com uma força maior do que a que experimentaram. Esse conceito de matéria inteligente governada por princípios que transcendem limitações naturais pode levar a aplicações transformadoras em vários setores.
Outra área de pesquisa futura envolve melhorar a capacidade dos robôs de coletar energia do ambiente. Ao incorporar eletrônicos sensíveis à luz em cada bloco de construção, os pesquisadores pretendem criar robôs que podem operar autonomamente por períodos prolongados.
Desafios e Considerações
Apesar do potencial empolgante desses robôs em microescala, vários desafios permanecem. Uma preocupação principal é aumentar a produção desses dispositivos, mantendo a precisão e a confiabilidade. A natureza intrincada da construção dos robôs apresenta obstáculos significativos de fabricação que precisam ser superados para uma aplicação generalizada.
Além disso, controlar esses robôs em ambientes do mundo actual apresenta desafios substanciais. Enquanto a pesquisa atual demonstra controle por meio de fios externos, desenvolver sistemas para controle sem fio e fornecimento de energia nessa escala continua sendo um obstáculo significativo.
Considerações éticas também entram em jogo, particularmente quando se considera potenciais aplicações biomédicas. O uso de robôs em microescala dentro do corpo humano levanta questões importantes sobre segurança, efeitos de longo prazo e consentimento do paciente que precisarão ser cuidadosamente abordadas.
A linha de fundo
O desenvolvimento de robôs em microescala que mudam de forma por pesquisadores da Cornell College marca um marco significativo na robótica e na ciência dos materiais. Ao aplicar engenhosamente os princípios do kirigami para criar estruturas de metasheet, essa descoberta abre uma ampla gama de aplicações potenciais, de procedimentos médicos revolucionários a monitoramento ambiental avançado.
Embora os desafios na fabricação, controle e considerações éticas permaneçam, esta pesquisa estabelece as bases para futuras inovações, como materiais “elastrônicos”. À medida que esta tecnologia continua a evoluir, ela tem o potencial de remodelar várias indústrias e nosso cenário tecnológico mais amplo, demonstrando mais uma vez como os avanços na microescala podem levar a impactos descomunais na ciência e na sociedade.
